石墨烯基材料的拉曼光谱研究

石墨烯是碳的同素异形体大家族的又一个传奇，也是当今横跨学术界和产业界的超级明星，几乎到了家喻户晓、妇孺皆知的程度。当然，石墨烯是当之无愧的。作为由单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，石墨烯拥有无与伦比的特性。理论上讲，它是导电性和导热性较好的材料，也是理想的轻质高强材料。正因如此，一经问世便吸引了全球范围的关注。石墨烯有可能创造一个全新的产业，石墨烯产业将成为未来全球高科技产业竞争的高地，这一点已经成为国内外学术界和产业界的共识。从2004年至今，已经有了近十六年的历史沉淀。无论是石墨烯的基础研究，还是石墨烯材料的产业化实践，人们都有了更多的一手材料，更有可能对石墨烯材料有一个全方位套丛书出的、科学的、理性的认识。总结历史，是为了更好地走向未来。对于新兴的石墨烯产业来说，战略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意义也是不言而喻的。事实上，国内外已经出版了数十部石墨烯相关书籍，其中不乏经典性著作。本丛书的定位有所不同，希望能够全面总结石墨烯相关的知识积累，反映石墨烯领域的国内外前沿研究进展，展示石墨烯新材料的产业化现状与发展前景，尤其希望能够充分体现国人对石墨烯领域的贡献。本丛书共包括22分册，执笔作者20余位，都是石墨烯领域的重量级学者、专家，因此可以从源头上保障丛书的专业性和科学性。丛书分五大部分，囊括了从石墨烯的基本性质和表征技术，到石墨烯材料的制备方法及其在不同领域的应用，以及石墨烯产品的计量检测标准等全方位的知识总结。同时，两份产业研究报告详细阐述了世界各国的石墨烯产业发展现状和未来发展趋势。除此之外，丛书还为广大石墨烯迷们提供了一份科普读物《有问必答：石墨烯的魅力》，针对广泛征集到的石墨烯相关问题答疑解惑，去伪求真。本丛书的内容涵盖石墨烯新材料的方方面面，每个分册也相对独立，具有很强的系统性、知识性、专业性和即时性，凝聚着各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的广大读者参考使用。希望丛书的出版对中国的石墨烯研究和中国石墨烯产业的健康发展有所助益。1. “战略前沿新材料——石墨烯出版工程” “十三五”国家重点出版物出版规划项目/国家出版基金丛书由石墨烯的基本性质与表征技术、石墨烯的制备技术和计量标准、石墨烯的分类应用、石墨烯的发展现状报告、石墨烯科普知识等五大部分共22分册构成，本书为第03分册。2. 丛书由我国石墨烯研究领域的主要开拓者及我国石墨烯发展的重要推动者、北京大学教授、北京石墨烯研究院创院院长刘忠范院士亲自策划并担任总主编。3.全书采用80克雅质纸，彩色印刷，清晰直观地展现了石墨烯的结构、模拟及表征结果。

本书围绕光散射的理论基础展开, 着重关注石墨烯基材料独特的电子能带结构所导致的拉曼散射过程, 以及外界微扰对其拉曼散射过程的影响, 并系统地介绍当前拉曼光谱在表征石墨烯基材料及其相关异质结和器件方面的应用和代表性的研究工作。本书可供初涉利用拉曼光谱表征石墨烯基材料物理和化学性质的研究生、科研人员、相关科技工作者使用, 也可供从事拉曼光谱的研究人员作为理论基础、实验技术和结果分析指南。

第1章石墨烯基材料的介绍001
1.1石墨烯基材料及其性质004
1.2范德瓦耳斯异质结及垂直器件009
1.3石墨烯基材料的表征012
1.4应用前景与挑战015
第2章石墨烯基材料的基础性质019
2.1晶体结构022
2.1.1单层和多层石墨烯022
2.1.2转角多层石墨烯024
2.2声子027
2.2.1一维双原子晶体027
2.2.2石墨烯基材料的声子色散关系031
2.3电子能带结构037
2.3.1石墨烯037
2.3.2AB堆垛多层石墨烯041
2.3.3转角多层石墨烯043
2.4可见光范围内层数依赖的光学性质044
2.4.1光学衬度046
2.4.2瑞利散射049
2.4.3光吸收051
2.5小结052
第3章拉曼散射理论053
3.1光散射的经典理论058
3.1.1散射概率058
3.1.2电偶极辐射061
3.1.3拉曼选择定则063
3.2光散射的量子描述068
3.2.1微观过程069
3.2.2对称性分析075
3.2.3多声子拉曼散射078
3.3共振拉曼散射082
3.3.1单共振拉曼散射083
3.3.2双共振拉曼散射084
3.3.3共振条件分析087
3.4拉曼光谱特征090
3.4.1涨落耗散理论092
3.4.2斯托克斯和反斯托克斯拉曼过程093
3.4.3拉曼峰线型和线宽096
3.5拉曼光谱信噪比099
3.5.1暗光谱的噪声分析102
3.5.2拉曼信号的噪声来源104
3.5.3拉曼信号的SNR估算111
3.6小结115
第4章单层石墨烯的拉曼光谱117
4.1一阶拉曼模:G模121
4.2共振拉曼散射124
4.2.1双共振拉曼散射过程124
4.2.2斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱132
4.2.3声学声子色散曲线137
4.2.4拉曼散射增强基底140
4.3偏振拉曼光谱142
4.3.1偏振拉曼实验配置143
4.3.2石墨晶须的偏振拉曼光谱148
4.3.3石墨烯的偏振拉曼光谱149
4.3.4斜入射配置下石墨烯的偏振拉曼光谱151
4.4石墨烯边界的拉曼散射153
4.5缺陷石墨烯的拉曼散射155
4.5.1缺陷石墨烯的拉曼光谱155
4.5.2拉曼光谱表征石墨烯无序度157
4.6电学掺杂石墨烯的拉曼散射159
4.6.1G模的量子干涉现象159
4.6.2石墨烯的电声子耦合162
4.7化学掺杂石墨烯的拉曼光谱165
4.7.1石墨烯的化学掺杂及拉曼表征166
4.7.2重掺杂石墨烯的双共振拉曼散射168
4.8G模的温度效应170
4.9磁场下石墨烯的拉曼散射175
4.10小结178
第5章多层石墨烯的拉曼光谱179
5.1多层石墨烯的高频拉曼光谱182
5.1.1AB堆垛多层石墨烯183
5.1.2ABC堆垛多层石墨烯188
5.2多层石墨烯边界的拉曼光谱190
5.2.1双层石墨烯边界191
5.2.2利用拉曼光谱确定2LG边界结构192
5.2.3多层石墨烯边界195
5.3层间振动模196
5.3.1线性链模型198
5.3.2AB堆垛多层石墨烯202
5.3.3ABC堆垛多层石墨烯205
5.3.4剪切模的法诺共振206
5.4转角多层石墨烯208
5.4.1莫尔声子209
5.4.2t2LM的莫尔声子211
5.4.3t2LG的R模和R'模213
5.4.4t(m+n)LG的高频拉曼模215
5.4.5高频模的共振拉曼散射217
5.4.6t(m+n)LG的层间振动模220
5.5CVD制备的多层石墨烯225
5.6抛物线能带的双共振拉曼散射230
5.6.1碳纳米管的拉曼光谱230
5.6.2MoS2的共振拉曼散射233
5.7小结236
第6章石墨烯基范德瓦耳斯异质结及器件237
6.1石墨烯基范德瓦耳斯异质结241
6.1.1mLM/nLG的制备241
6.1.2mLM/nLG的界面耦合244
6.2范德瓦耳斯异质结的电声子耦合247
6.2.1nLhBN/mLW的呼吸模248
6.2.2nLhBN/mLW的跨维度电声子耦合249
6.2.3nLhBN/mLW的层间键极化率模型252
6.2.4mLM/nLG的电声子耦合253
6.3石墨烯基器件的拉曼光谱表征255
6.3.1石墨烯基场效应晶体管256
6.3.2石墨烯基储能器件258
6.3.3石墨烯基太阳能电池和有机发光二极管261
6.3.4石墨烯基纳米机电系统262
6.3.5石墨烯基范德瓦耳斯异质结器件264
6.4小结266
第7章拉曼光谱在表征石墨烯基材料中的应用267
7.1MENLG薄片层数的表征270
7.1.1利用2D模线型表征MENLG层数272
7.1.2利用层间振动模表征ABNLG层数274
7.1.3利用G模强度表征NLG层数275
7.1.4利用衬底Si峰强度表征NLG层数278
7.2拉曼光谱法表征石墨烯薄片层数的国家标准282
7.2.1基于2D模线型表征石墨烯薄片层数的拉曼光谱法283
7.2.2基于SiO2/Si衬底的硅拉曼模峰高表征石墨烯薄片层数的拉曼光谱法285
7.3CVDNLG薄片层数和堆垛次序的表征289
7.3.1CVD1LG的表征290
7.3.2层数表征292
7.3.3堆垛次序表征294
7.3.4界面转角表征296
7.4应力分析298
7.5缺陷表征300
7.6拉曼成像303
7.6.1表征层数、晶畴和堆垛方式303
7.6.2表征边界305
7.6.3表征应力306
7.6.4鉴别石墨烯生长机制307
7.7小结308
附录A物理名词索引：中文—英文309
附录B物理名词索引：英文—中文315
参考文献321
索引336