国家材料腐蚀与防护科学数据中心
National Materials Corrosion and Protection Data Center
中文 | Eng 数据审核 登录 反馈
干货|一篇文章看懂石墨烯缺陷的表征!
2016-11-17 09:51:43 作者:本网整理 来源:网络

  1、什么是缺陷密度?


  缺陷密度,是指不同形式的缺陷在石墨烯片层上的分布密度。涉及的缺陷包括单空位缺陷、双空位缺陷、拓扑缺陷等不同类型的缺陷及它们的组合。缺陷密度的高低会导致石墨烯的带结构发生不同程度的改变。另外,也会对石墨烯材料的振动模产生影响。


 
2、表征石墨烯缺陷的方法有哪些?


  透射电镜法和拉曼光谱法是表征石墨烯缺陷的两种主要方法。相对来说,透射电镜法适用于学术研究中,而拉曼光谱法在工业界具有更好的推广意义。

 

640
 
图1 透射电镜法 vs. 拉曼光谱法


  3 如何解读石墨烯的拉曼光谱?


  一般而言,石墨烯的拉曼光谱中存在D峰,G峰,D‘峰,2D(G’)峰,D+D‘峰(一部分文献中也记为D+G峰或S3峰),2D’峰,D+D'‘峰等不同的拉曼峰。其中主要被考察的是D峰,G峰,2D峰和D+D’峰。

 

2
  图2 石墨烯材料上的拉曼散射信号


  3.1 如何理解D峰?


  D峰通常被认为是石墨烯的缺陷或边界峰,该峰出现在1270 ~1450 cm-1,涉及到一个K点附近的iTO声子的非弹性谷间散射与一个缺陷的谷间散射过程,也就是说,缺陷将激活六元环的呼吸振动模,并导致对应的拉曼活性峰。这种缺陷既可以是片层上的点缺陷,也可以是片层晶界的边缘,故D峰常用于表征石墨烯样品中的缺陷或者边缘的多少。


  3.2 如何理解G峰?


  G峰通常被认为是sp2杂化碳原子的特征峰,该峰出现在1580 cm-1附近,涉及到两个在Γ点附近双重简并的iTO和iLO声子的谷内散射过程。该峰一般产生于sp2碳原子的面内振动,对应的振动模具有E2g对称性。随着石墨烯层数n的增加,G 峰峰位亦会发生红移,其位移与1/n相关。另外,当石墨烯片层内的存在应力时,G峰也会受到影响。


  3.3 如何理解D‘峰?


  D’峰通常也被认为是石墨烯的边界或缺陷峰。该峰出现在1620 cm-1附近,但强度较弱,在G峰较强的情况下往往较难分辨。该峰的形成既可以是谷间散射过程也可以是谷内散射过程,主要以谷内散射过程为主,涉及到一个在K点附近的iLO声子非弹性谷内散射与一个缺陷的谷内散射过程。虽然D‘峰强度较弱,但D’峰与石墨烯上的缺陷、边界或杂化形式存在着强烈的相关性,因此D‘峰往往也是研究者所关注的峰型之一。


  3.4 如何理解2D峰?


  2D峰,也被标示为G’峰,通常被认为是石墨烯与石墨存在最大区别的特征峰。该峰存在着一定的波长依赖性,对于514 nm-1的激发波长,2D峰出现在2700 cm-1附近。该峰通过一个在K点附近的iTO声子发生两次谷间非弹性散射产生。作为双声子共振拉曼峰,常认为该峰与缺陷无关,但与层结构和堆积方式存在着较大的相关性,因此可以用作鉴别石墨烯和石墨的特征峰。


  3.5 如何理解D+D‘峰?


  D+D’峰,也常被标示为D+G峰或S3峰,通常被认为是D峰与D‘峰的复合峰,与石墨烯上的缺陷密度高度相关。该峰一般出现在2960 cm-1附近,而且是一个双声子过程峰。它通过一个在K点附近的声子的谷间散射、一个在K’点附近的声子的谷内散射与一个缺陷的谷间散射所形成。伴随缺陷密度的提高,该峰峰强度将会显著上升。不同于微弱的D‘峰,该峰非常容易观察,且与缺陷态密切相关,因此可以作缺陷密度的测量峰。


  4、如何表征石墨烯的缺陷密度?


  在过去的工作中,大家常考察拉曼光谱中的D峰强度或D/G强度比并以此作为石墨烯材料的缺陷密度的评估依据。但该方法适用于石墨烯薄膜,并不适用于石墨烯粉体。


  这是因为对于石墨烯薄膜,在拉曼测试过程中光斑更容易聚焦在一片石墨烯片层上;然而,石墨烯粉体材料中存在着大量的石墨烯片层,它们往往以类似于卡片式堆积的形式聚集,这导致拉曼测试时光斑更容易聚焦在大量的石墨烯片层与边界上。此时,由于光斑范围内石墨烯的边界信号增多,导致D峰明显升高。

 

3
 
图3 石墨烯薄膜 vs. 石墨烯粉体。


 
5、如何表征石墨烯粉体的缺陷密度?


  如上所述,对于石墨烯粉体而言,D峰的峰强度信号可以来自于石墨烯粉体中的缺陷信号所贡献,也可以来自于石墨烯粉体中大量的边界信号所贡献,这使D峰不具有唯一的缺陷相关性,故难以通过单纯的D峰强度或D/G强度比来判断石墨烯上的缺陷密度。


  D’峰随缺陷的不同有不同的峰强度表现,因此一部分工作也以D/D‘的强度比作为筛选缺陷种类的方式,然而D’峰强度过弱,不易检测到。所以,对于石墨烯粉体缺陷密度的表征,考察D+D‘峰(S3峰)成为了一个合理的选项,而参比峰则可以考虑选择不会受到边界态的影响的2D峰。

 

4
 
图4 D+D’峰的强度随缺陷密度增加而增强


  因此,我们建议以S3/2D的强度比作为石墨烯粉体的缺陷密度参数。理想的石墨烯材料,该比值应尽可能小;带有缺陷的石墨烯材料,该比值会随缺陷密度的提高而显著增大。

 

免责声明:本网站所转载的文字、图片与视频资料版权归原创作者所有,如果涉及侵权,请第一时间联系本网删除。

关于国家科技资源服务平台

国家科技基础条件平台中心是科技部直属事业单位,致力于推动科技资源优化配置,实现开放共享,其主要职责是:承担国家科技基础条件平台建设项目的过程管理和基础性工作;承担国家科技基础条件平台建设发展战略、规范标准、管理方式、运行状况和问题的研究,以及国际合作与宣传、培训等工作;承担科技基础条件门户系统的建设与运行管理工作;参与对在建和已建国家科技基础条件平台项目的考核评估和运行监督工作。

国家科技资源服务平台相关网站


国家材料腐蚀与防护科学数据中心

国家高能物理科学数据中心

国家基因组科学数据中心

国家微生物科学数据中心

国家空间科学数据中心

国家天文科学数据中心

国家对地观测科学数据中心

国家极地科学数据中心

国家青藏高原科学数据中心

国家生态科学数据中心

国家冰川冻土沙漠科学数据中心

国家计量科学数据中心

国家地球系统科学数据中心

国家人口健康科学数据中心

国家基础学科公共科学数据中心

国家农业科学数据中心

国家林业和草原科学数据中心

国家气象科学数据中心

国家地震科学数据中心

国家海洋科学数据中心