石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维晶体材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，便引起了全球范围内的广泛关注。石墨烯以其独特的结构和卓越的物理性质，如超高导电性、超高导热性和超强机械强度，被誉为“黑金”和“新材料之王”。
在sp2碳系统中，石墨烯结构是最简单的，因此也具有最简单的拉曼光谱，在大量石墨烯相关科学研究出现之前，石墨材料的拉曼光谱的相关研究已经有相当长的一段历史，因此石墨烯的拉曼光谱相关研究具有深厚的理论基础，石墨烯的拉曼光谱相关理论也更为完善。
如图1所示，完美的石墨烯的拉曼光谱包含G峰和G’（对应图中为2D）峰，当石墨烯产生缺陷时又会产生D峰、D’峰和D+D’峰。这里按波数从小到大顺序依次介绍。
图1 存在缺陷的石墨烯（红色）和完美无缺陷的石墨烯（黑色）的拉曼光谱
图2 (a)石墨烯能带结构及D峰/D’峰声子散射过程，(b)石墨烯D峰原子运动方向示意图
D峰：sp2碳中与缺陷直接相关的最主要的拉曼信号，由于只出现在有缺陷的样品中，而在完美晶体结构的石墨中没有被观察到，因此该峰被命名为D峰，D代表缺陷Defect或Disorder。D峰是一个单声子的二阶双共振拉曼散射过程，因为缺陷的存在打破了一阶拉曼允许声子的动量守恒条件q=0，因此D峰来源于K点附近的q≈2k的iTO声子和一个由对称性破缺的弹性散射（谷间散射）过程。缺陷类型包括平面内缺陷（原子空位、晶格重构）及石墨烯的边缘（仅扶手椅方向）。D峰频率随激光能量的变化而变化，具有能量色散性，斜率约50 cm-1/eV。
D’峰：同样由缺陷引起的拉曼峰，位于1620 cm-1附近，是Γ点附近的LO声子和缺陷激活产生的，属于谷内散射。D’峰的产生与石墨烯边缘无关，只与石墨烯面内缺陷有关，包括晶格重构、原子空位和间隙。也具有能量色散性，但是色散性较弱，斜率约为10 cm-1/eV。
D+D’峰：是D峰和D’峰的和频峰，位于2970 cm-1附近，具有能量色散性。
图3 (a)石墨烯能带结构及G峰声子散射过程，(b)石墨烯G峰原子运动方向示意图
G峰：在早期研究晶体石墨的拉曼光谱时，就一只存在着两个非常明显的特征峰，分别位于1580 cm-1、2700 cm-1附近，石墨英文名Graphite，因此分别命名为G峰和G’峰，并沿用至今，所有sp2碳系统的拉曼光谱都有G峰。G峰产生于sp2碳原子的面内C-C伸缩振动，布里渊区中心Γ点双重简并的iTO和LO光学声子相互作用产生的，具有E2g对称性，碳原子的运动平行于石墨烯的平面，是单层石墨烯中唯一的一阶拉曼散射过程。G峰强度也随着层数的增加而增加（10层以内）。
图4 (a)石墨烯能带结构及G’峰声子散射过程，(b)石墨烯G’峰频移与激光能量关系
G’峰：产生于石墨烯K点附近的双声子(2iTO)、双共振、谷间散射过程，因此G’峰为二阶双共振拉曼散射过程。位置在2500~2800 cm-1范围内的一个或多个（层数相关）特征峰，可以在所有sp2结构的碳材料的拉曼光谱中观察到。G’峰的频率/位移大约是D峰的2倍，所以也称2D峰。但是2D峰的产生与缺陷无关，不是D峰的倍频峰。G’峰也有能量色散性，斜率约100 cm-1/eV。
本文源自微信公众号：国家石墨烯质检中心 广东
原文标题：《【拉曼光谱技术】石墨烯拉曼光谱详解》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/TZnTWWJBOhMZ_sdbOBq_QA
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