在石墨烯結(jié)構(gòu)表征技術(shù)的研究中，對(duì)石墨烯的層數(shù)表征是其中尤為重要的一個(gè)方向。根據(jù)石墨烯層數(shù)的不同，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著變化。通常認(rèn)為，只有層數(shù)在10層以下的石墨才可以看作是二維結(jié)構(gòu)，冠以石墨烯的稱謂。

其中，單層石墨烯為零帶隙半導(dǎo)體，能帶結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)帶與導(dǎo)帶在Ｋ和Ｋ處交于一點(diǎn)，附近載流子滿足線性色散關(guān)系。雙層石墨烯雖然仍是零帶隙半導(dǎo)體，但電子能量與動(dòng)量之間不再表現(xiàn)出線性關(guān)系。而對(duì)于三層或更多層的石墨烯，其能帶結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜，價(jià)帶與導(dǎo)帶開始出現(xiàn)明顯的交疊。

據(jù)粉體網(wǎng)小編了解，石墨烯的性能與層數(shù)密切有關(guān)，不同層數(shù)的石墨烯具有不同的物理、化學(xué)和機(jī)械性能。因此，對(duì)石墨烯層數(shù)的準(zhǔn)確表征是一項(xiàng)重要的工作。表征石墨烯的層數(shù)可以采取的手段有TEM、RAMAN、AFM、光學(xué)顯微鏡和STM等。

透射電鏡（TEM）

采用透射電鏡，可以借助石墨烯邊緣或褶皺處的高分辨電子顯微像來估計(jì)石墨烯片的層數(shù)和尺寸，如圖１所示。據(jù)粉體網(wǎng)小編了解，這種方式比較簡(jiǎn)單快速，但是只能用來估算，無法對(duì)石墨烯的層數(shù)給予精確判斷。若結(jié)合電子衍射（ED）或低能電子損失譜（EELS），則可對(duì)石墨烯的層數(shù)做出比較準(zhǔn)確的判斷。

圖1單層、雙層石墨烯邊緣的高分辨率像

拉曼光譜（RAMAN）

利用光的散射效應(yīng)對(duì)石墨烯的層數(shù)進(jìn)行表征的方法。利用拉曼光譜可以鑒別出單層、雙層、多層石墨烯和塊體石墨間的區(qū)別。圖2（a）為石墨烯與石墨的拉曼光譜對(duì)比圖（激光波長(zhǎng)：488nm）。可以看出，對(duì)于位于1580cm-1左右的G峰和位于2700cm-1左右的2D峰來說，兩者在強(qiáng)度、峰位和峰形上均有所不同。而對(duì)于具有不同層數(shù)的石墨烯來說，可以通過2D峰的峰形、峰位，以及2D峰與G峰的強(qiáng)度比，來很好地區(qū)分層數(shù)在5層以下的石墨烯，如圖2（b）所示。可歸納出單層石墨烯拉曼光譜的三個(gè)特點(diǎn)：（1）2D峰為單峰；（2）2D峰的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于G峰；（3）2D峰的峰位相對(duì)于其它層數(shù)石墨烯及塊體石墨向左偏移。

圖2（a）石墨烯與石墨的拉曼光譜；（b）不同層數(shù)石墨烯的拉曼光譜

原子力顯微鏡（AFM）

通過針尖在石墨烯表面的掃描，根據(jù)石墨烯形貌的厚度變化來獲得石墨烯的層數(shù)。被認(rèn)為是表征石墨烯片層結(jié)構(gòu)的最有力、最直接有效的工具之一。它可以清晰地反映出石墨烯片的大小、厚度等信息。但由于石墨烯表面存在有吸附物，以及石墨烯與基底的相互作用等因素的影響，所測(cè)得厚度比實(shí)際厚度大。因此，一般情況下，需要采用光學(xué)顯微鏡配合AFM來準(zhǔn)確判定石墨烯層數(shù)。

光學(xué)顯微鏡（OM）

主要原理是首先將石墨烯轉(zhuǎn)移到表面有一定厚度氧化層（SiO2）的硅片上；當(dāng)氧化層的厚度滿足一定條件時(shí)，在光學(xué)顯微鏡的觀察過程中，由于光路衍射和干涉效應(yīng)，從而導(dǎo)致不同層數(shù)的石墨烯會(huì)顯示出特有的顏色和對(duì)比度，如圖3所示。據(jù)粉體網(wǎng)小編了解，目前經(jīng)過大量的實(shí)踐表明，該方法已成為一種比較成熟的，能從宏觀上確定石墨烯層數(shù)的一種表征方法。

圖3石墨烯的光學(xué)圖像

其它表征手段

Luican等通過STM觀察到附著于HOPG上的三層石墨烯。掃描隧道顯微鏡（STM）是較早被用來表征石墨烯結(jié)構(gòu)的儀器之一。Hibino等研究表明，采用低能電子顯微鏡（LEEM）也能區(qū)分出不同厚度的石墨烯。通過分析石墨烯與SiC襯底表面反射的量子振動(dòng)譜可以得到不同厚度的石墨烯,從而判斷其層數(shù)。此外，Boese等報(bào)道了一種采用等離子能量損失圖快速表征石墨烯層數(shù)的方法，并且指明該方法的精確度可以達(dá)到單原子層。

小結(jié)：

雖然上述方法均可在一定程度上表征石墨烯的層數(shù)，但是每種方法均有其局限性。另外，石墨烯層數(shù)的表征結(jié)果也會(huì)隨石墨烯制備工藝的不同而不同。因此，有關(guān)石墨烯的精確表征仍需進(jìn)一步完善。在選擇表征方法的時(shí)候可以因地制宜，選擇合適的方法或者多種表征手段相結(jié)合，以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。