1.7　石墨烯的表征

上述不同的制备方法得到的石墨烯形态各异，但是最终都需要经过鉴别环节，确认得到的是否为石墨烯，以及石墨烯的品质，如发现杂质、破损、多层堆叠等问题，这些就是表征石墨烯环节所需要做的工作。目前，石墨烯的表征方法可以分为图像类、图谱类两种 ^［212］ ，具体可以描述为表1.1。

1.7.1　图像类表征

在文献［129］中，研究人员通过特定波长的电磁波照射石墨与300nm厚度的硅衬底复合结构，观察反射光的光强，通过颜色、对比度区分石墨烯的层数。其原理主要是不同层数的石墨烯及衬底对入射光具有不同的干涉效果，于是反射光就产生了不同的强度，因此在光学显微镜里可以分辨石墨烯的层数 ^［213］ ，如图1.16所示。英国曼彻斯特大学A.K.Geim课题组设计了一种孔缝结构，将石墨烯覆盖在孔缝表面，通过不同区域内的传输谱来表征石墨烯层数。

扫描电子显微镜是一种更加精密的仪器，通过它可以观察到石墨烯表面的细节，在图像中深色区域的石墨烯层数比较多，浅色区域的石墨烯层数比较少。并且，单层石墨烯位置的褶皱比较多，会因二维材料的不稳定性而趋于转换为三维形态，而多层石墨烯则比较平滑。

原子力显微镜是图像表征类中最为先进的手段。其原理是利用原子探针慢慢靠近或者接触被测样品的表面，当探针与样品表面的距离减小到一定程度后，原子之间的相互作用力将迅速上升，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特征 ^［214］ 。对于石墨烯而言，原子力显微镜可以观测到不同的厚度及横向尺寸信息。例如，文献［215］中将经过超声剥离的氧化石墨烯附在云母片等基底上，用原子力显微镜观察到的图像如图1.17所示，其高度的剖面对应样品的两个点，高度差即是石墨烯的厚度。

这里需要指出的是，石墨烯的层数过多后将不具备二维材料的特征，更加趋近于三维材料（石墨）性质，具体而言，当层数达到10时，便可以认为不再是石墨烯 ^［216］ 。

1.7.2　图谱类表征

本节讨论在石墨烯图谱类表征方法中应用最多的方法——拉曼光谱法。拉曼光谱是一种快速、不对样品造成破坏的表征材料晶体结构、电子能带结构、声子能量色散和电子—声子耦合的重要技术手段，广泛应用于表征富勒烯、金刚石、碳纳米管等碳纳米材料结构 ^［217］ ，其光谱范围在1000～2000cm ^-1 ，包括几个非常强的特征峰及其他少数几个调制峰。碳纳米材料拉曼光谱中定义G峰代表sp ² 碳原子的 E _2g 振动模型，即有序的sp ² 碳键结构，而D峰表示位于边缘的缺陷及无定形结构。并且通常用D峰和G峰的强度之比（ I _D / I _G ）来评价碳纳米材料的石墨化程度 ^［218］ 。

对于石墨烯而言，G峰出现在1560～1620cm ^-1 范围内，由sp ² 碳原子面内拉伸振动引起，对应布里渊区中心的 E _2g 振动光学声子的振动；另外，D峰一般出现在1300～1400cm ^-1 范围内，由芳香环sp ² 碳原子的对称伸缩振动引起，并且必须有缺陷才能激活 ^［219］ ，可用D峰反映石墨烯表面的无序度；除此之外，D峰的倍频峰，即2D峰出现在2660～2700cm ^-1 范围内，由于信号较弱而很容易被忽略，它是由碳原子中两个具有反向动量声子的双共振跃迁引起的，表征石墨烯层数及层层之间的堆垛方式紧密相关，可以很好地体现石墨烯中电子—电子及电子—声子的相互作用。不同层数的石墨烯对应的拉曼光谱表征曲线如图1.18所示。