激光光谱学
拉曼光谱在石墨烯结构研究中的应用
一、石墨烯声子色散曲线中的D峰、G峰和&峰
石墨烯是sp2碳原子紧密堆积形成的六边形蜂窝状结构的二维原子晶体，是 构建其它sp2杂化碳的同素异形体的基本组成部分3,它可以堆垛成三维的石墨, 卷曲成一维的碳纳米管，也可以包裹形成零维的富勒烯，是很有研究价值的材料。 拉曼光谱是一种快速无损的表征材料晶体结构、电子能带结构、声子能量散射和 电子?声子耦合的重要的技术手段，具有较髙的分辨率，所以拉曼光谱技术是研 究富勒烯、碳纳米管、金刚石结构的重要手段。
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图2常用于表征石星烯片层数的G峰和2D峰
3）G，峰
G，峰也称为2D峰，是双声子共振拉曼峰。连接声子波矢量和电子能带的双 共振过程使得2D峰频率极易受激发光波长影响?。
对于514 nm的激发波长，2D峰出现在2700 cm1附近（见图1）。2D峰也 可以用
作判断石墨烯片层数，但是它比G峰频移复杂。
图2为2D峰随石墨烯片层数变化的拉曼谱图。从图中可以看岀，单层石墨 烯的2D峰可以通过单个洛伦兹峰拟合，而双层石墨烯中出现4个拟合峰，分别 代表四个可能的双共振过程。随看石墨烯层数的增加，双共振过程也增加，其 拉曼谱图形状越接近石墨，最后只出现2个峰。
图3石墨烯的各个拉曼特征峰的产生过程
4） G峰.D峰和G‘峰的产生过程
上图（图3）给出了石墨烯各个拉曼特征峰的产生过程，在入射激光作用下， 石墨烯价带上的电子跃迁到导带上，电子与声子相互作用发生散射，从而可以 产生不同的拉曼特征峰。G峰产生于sp：碳原子的面内振动，是与布里渊区中心 双重简并的iTO和iLO光学声子相互作用产生的，具有E2g对称性，是单层石墨烯 中唯一的一个一阶拉曼散射过程。G峰和D峰均为二阶双共振拉曼散射过程，G峰 是与K点附近的iTO光学声子发生两次谷间非弹性散射产生的，而D峰则涉及到 一个iTO声子与一个缺陷的谷间散射。G'峰拉曼位移约为D峰的两倍，因此通常 表示为2D峰，但是G'峰的产生与缺陷无关，并非D峰的倍频信号。D峰和G'峰 均具有一定的能量色散性，其拉曼峰位均随着入射激光能暈的增加向高波数线 性位移，在一定的激光能最范围内，其色散斜率大约为50 cm'YeV和100 cm\这也是双共振过程的特征。G'峰和D峰均为谷间散射过程，而D'峰则为 谷内双共振过程，两次散射过程分别为与缺陷的谷内散射和与K点附近的iLO 声子的非弹性谷内散射过程。由于在K点附近石墨烯的价带和导带相对于费米 能级成镜像对称，电子不仅可以与声子发生散射作用，而且可以与空穴发生散 射作用，因此还会有三阶共振拉曼散射过程的产生。
二、石墨烯的低频拉曼特征及其结构依赖性
一般这些低波数的拉曼振动在实验中很难检测到，主要原因是：1）这些拉 曼振动的能量较低，超出了一般竝曼光谱仪的检测极限；2）一般对石墨烯拉曼 光谱的研究都是基于SiO2/Si基底上的石墨烯样品，入射光可以激发掺杂Si基底 的载流子，会产生一个很强的背最，而这一频率范围内的拉曼振动峰强度比G峰 弱两个数量级左右，使得在拉曼测试中很难检测到少层石墨烯的低波数信号。
P. H. Tan等人⑷通过对仪器的改进，利用交叉偏振的方法抑制了 Si基底的 背
景，成功检测到了少层石墨烯的剪切振动模，并利用斯托克斯和反斯托克斯线 柑结合的方法校正其峰位，发现这一振动模的峰位与石墨烯的层数息息相关，双 层石墨烯的剪切模位于31cm1, 11层石墨烯位于42.7 cm1,而块体石墨则位于 43.5 cm^o下面我们考虑剪切模（C峰）和呼吸模（ZO,模或称LBM模）。
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图4 C峰和G峰拉曼光谱及其峰位对层数的依赖性
激光光谱学
