石墨烯的表征课件

石墨烯的表征方法介绍NJU2015.3.6石墨烯的表征方法类型为了研究石墨烯的层数和结构，现在主要有以下表征方法，光学显微镜法，扫描电子显微镜法（SEM）透射电子显微镜法（TEM），原子力显微镜法（AFM），拉曼光谱（Raman），红外光谱（IR），X射线光电子能谱（XPS），和紫外-可见光谱（UV-Vis）。

石墨烯的具体表征方法介绍石墨烯的表征主要分为图像类和图谱类，图像类以光学显微镜、透射电镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微分析（AFM）为主，而图谱类则以拉曼光谱（Raman）、红外光谱（IR）、Ｘ射线光电子能谱（XPS）和紫外光谱（UV）为代表。其中，TEM、SEM、Raman、AFM和光学显微镜一般用来判断石墨烯的层数，而IR、XPS和UV则可对石墨烯的结构进行表征，用来监控石墨烯的合成过程。透射电子显微镜法随着溶胶法制备石墨烯膜的出现，以及无支撑石墨烯膜器件特性的改善，TEM近来成为了悬浮状石墨烯结构表征的有利工具。采用透射电镜，可以借助石墨烯边缘或褶皱处的电子显微像来估计石墨烯片的层数和尺寸，这种方式虽然简便快速，但是只能用来估算，无法对石墨烯的层数给予精确判断。若结合电子衍射（ED）则可对石墨烯的层数做出比较准确的判断。利用透射电镜中的电子衍射可以判断石墨烯的层数。当改变电子束入射方向时，单层石墨烯的各个衍射斑点的强度基本保持不变，而对于双层以及多层的石墨烯，由于层间干涉效应的存在，电子束入射角的改变会带来衍射斑点强度的明显变化.这种通过改变入射电子束方向，根据在不同电子束入射角的情况下石墨烯衍射斑点强度的变化规律来判断样品的层数的方法可以非常明确地将单层与多层石墨烯区分开。但这种方法只适合大块样品，而且解释很困难。原子力显微镜表征 原子力显微镜被认为是用于石墨烯形貌表征的最有力的技术之一。AFM利用原子探针慢慢靠近或接触被测样品表面，当距离减小到一定程度以后原子间的作用力将迅速上升，因此，由显微探针受力的大小就可以直接换算出样品表面的高度，从而获得样品表面形貌的信息。石墨经过氧化后，层间距会增大到0.77nm左右。剥离后的氧化石墨烯吸附在云母片等基底上，会增加0.35nm左右的附加层，所以单层氧化石墨烯在AFM下观测到的厚度一般在0.7-1.2nm左右。将氧化石墨烯沉积在云母片上，利用蔗糖溶液还原后进行AFM表征，如图1所示，图中的高度剖面图（ΔZ）对应着图中两点（Z1、Z2）的高度差即石墨烯的厚度，同时若将直线上测量点选择在石墨烯片层的两端，还可以粗略测量石墨烯片层的横向尺寸.石墨烯的AFM图像和高度剖面图机械剥离石墨烯样品的拉曼表征以机械剥离的石墨烯样品为例。如图a所示，单层石墨烯的G峰位置比石墨的高3-5cm-1（这里的红移可能是由于化学掺杂引起的），石墨烯的2D峰是一个尖锐的单峰，强度是G峰的４倍，而石墨的2D峰由2D1和2D2两个峰组成，强度分别是其G峰的1／4和1／2倍。石墨的2D峰强度和石墨烯的2D峰强度相近。随着石墨烯层数的增加，2D峰的形状和强度都有明显的变化。如图（b）、（c）所示，分别为在514和633nm光照下，石墨烯2D峰形状、位置和强度的变化。从图可以观察到随着石墨烯层数的增加，2D峰变得越来越宽，2D1峰的强度越来越小，整体有红移的趋势。而多层（n＞5）石墨烯的2D峰形状和强度与石墨的2D峰非常相似，很难区分出来。可以看出,利用拉曼图谱中2D峰的半高宽和G／2D峰强之比可以确定石墨烯的层数。当石墨烯的半高宽约为30cm-1且G／2D强度比＜0.7时，可以判断是单层.当石墨烯的2D峰半高宽约为50cm-1且G／2D强度比在0.7-1.0之间时是双层；当G／2D强度比＞1时可以推断是多层红外光谱表征红外光谱在石墨烯研究中，主要用来表征石墨烯及其衍生物或复合材料的化学结构。在化学法制备石墨烯的过程中，天然石墨被氧化或者氧化石墨被还原，都会伴随有红外谱图上特征吸收峰的减弱或消失；在对石墨烯及其衍生物进行修饰改性或者复合后，同样伴随有红外谱图上峰形峰强的变化，还可能引入新的特征吸收峰，因此可用红外光谱监测和调控化学法制备石墨烯及其复合材料的过程目前，红外光谱在石墨烯研究中主要是用于定性表征，关于其定量方面的表征还未见报道UV-Vis表征紫外－可见光光谱可用于石墨烯的定性分析。在石墨烯及其复合材料的制备过程中，将所得产物的紫外图谱与石墨烯或者其衍生物的紫外谱图相比较，即可判定所得产物是否为石墨烯或其衍生物紫外－可见光光谱可以用于氧化石墨还程度的鉴定和还原过程的监控结语随着石墨烯研究的不断进展，石墨烯的表征手段也越来越丰富。但石墨烯的厚度一般仅为几个原子层，晶体缺陷、表面吸附物质的不同和制备方法的区别都会引起表征结果的不同。无论是光学显微镜、SEM和TEM原子力显微镜、Rama