拉曼光譜因其快速、無損、高空間分辨率的特性，已成為石墨烯（包括單層、多層及氧化石墨烯）層數、缺陷、結晶質量與摻雜狀態的首選表征手段。本文以 GB/T 30544.13-2018《納米科技 術語 第 13 部分：石墨烯及相關二維材料》為基礎，系統闡述實驗設計、操作流程與數據解析方法，為科研與產業提供可重復、可比對的實驗指南。

實驗原理

1.晶格振動模式

sp2 雜化碳原子構成的六元環在面內和面外方向存在三種典型的拉曼活性振動：

G 峰（~1580 cm?1）：平面內 E?g 對稱伸縮振動，是石墨烯存在的指紋峰。

2D 峰（~2700 cm?1）：雙聲子雙共振散射峰，對層數高度敏感，可區分單-、雙-及多層石墨烯。

D 峰（~1350 cm?1）：缺陷激活的呼吸振動模式，D 峰缺失或強度極低表明結晶完整。

2.關鍵光譜參數

峰位（ω）：受應力、摻雜與溫度影響。

半峰寬（Γ）：反映聲子壽命，層數增加或缺陷增多均導致展寬。

強度比（I?D/I_G、I_D/I_G）：分別用于層數與缺陷定量。

樣品制備

1.粉末/分散液

溶劑：無水乙醇或異丙醇，超聲 5–10 min 獲得單分散懸浮液。

基底：300 nm SiO?/Si（光學增強因子最大），滴涂后 60 ℃ 烘干 5 min。

厚度：單滴體積 ≤5 μL，確保薄膜厚度 <100 nm 避免自吸收。

2.CVD 薄膜

原基底測試：銅箔需去除表面氧化層（醋酸 30 s 蝕刻 + 去離子水沖洗）。

轉移后測試：PMMA 輔助轉移至 SiO?/Si，丙酮 80 ℃ 回流 30 min 除膠，氮氣吹干。

3.清潔度控制

? 光學顯微鏡 50× 預檢，剔除可見顆粒區域。

? 紫外-臭氧 10 min 去除有機殘留，若樣品不耐臭氧則用氮氣吹掃。

儀器配置與校準

1.激光器選擇

532 nm：層數分辨最佳，但單層易熱損傷。

633 nm：平衡信號與熱效應，適合缺陷成像。

785 nm：抑制熒光，適用于含聚合物基底。

2.校準流程

? 單晶硅 520.7 cm?1 定標，偏差 ≤0.5 cm?1。

? 激光功率預掃：在樣品邊緣 0–20 mW 階梯測試，出現 D’ 峰（1620 cm?1 附近）即為損傷閾值，取 70 % 閾值功率作為正式測試功率（單層常用 1–3 mW）。

測試參數

光譜窗口：1000–3000 cm?1。

光柵：1800 gr/mm（光譜分辨率 <1.5 cm?1）。 ?

積分：單次 10–30 s，累加 2–3 次，信噪比 >20。

空間分辨率：100× 物鏡，激光光斑 ≤1 μm，確保單疇測試。

統計點數：n ≥ 5，取均值 ± 標準差報告。

數據處理與結果判定

1.層數判定（532 nm 激光示例）

注：若激光波長變化，需按雙共振模型修正 ω?D 值。

2.缺陷定量

缺陷密度 n_D (cm?2) 可通過 Tuinstra-Koenig 關系計算：

n_D = (1.8 ± 0.5) × 1022 × (I_D/I_G) / λ_L?

其中 λ_L 為激光波長（nm）。I_D/I_G < 0.1 對應高質量石墨烯，>1 則為重度缺陷。

3.摻雜與應力分析

? G 峰位移 Δω_G ≈ 4.5 cm?1/% 摻雜（電子摻雜紅移，空穴摻雜藍移）。

? 2D 峰應力系數 κ_2D ≈ –60 cm?1/% 應變，拉伸應變導致紅移。

誤差控制與注意事項

熱漂移：每 30 min 復校硅峰，確保長期穩定性。

熒光背景：若基線抬高，改用 785 nm 或共焦模式（針孔 50 μm）抑制。

激光偏振：層間剪切模式（C 峰）對偏振敏感，需固定偏振方向或旋轉樣品獲取平均譜。

數據存檔：原始光譜、測試參數、儀器型號及版本號一并記錄，滿足可追溯性要求。

結論

遵循本規范可在單一樣品上同時獲得層數、缺陷、摻雜與應力信息，測量不確定度峰位 ≤1 cm?1、層數判定準確率 ≥95 %。建議與 AFM（厚度）、XPS（化學態）、TEM（原子像）結果交叉驗證，以形成石墨烯質量的全維度評價體系。