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，可以堆垛形成三维的石墨，卷曲形成一维的碳纳米管，也可以包裹形成零维的富勒烯。
图1. 石墨烯结构
直到 2004 年，英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov等使用胶带剥离技术，才首次成功地制备出了单层石墨烯，这一发现也推翻了科学家关于理想的二维晶体材料由于热力学不稳定性而不能在室温下存在的预言。
作为一种理想的二维原子晶体，石墨烯具有超高的电导率和热导率、巨大的理论比表面积、极高的杨氏模量和抗拉强度，可望在微纳电子器件、光电检测与转换材料、结构和功能增强复合材料及储能等广阔的领域得到应用。
Raman光谱表征石墨烯的完美优势
拉曼光谱在石墨烯的层数表征方面具有独特的优势，完美的单洛伦兹峰型的二阶拉曼峰（G'峰）是判定单层石墨烯简单而有效的方法，而多层石墨烯由于电子能带结构发生裂分使其G'峰可以拟合为多个洛伦兹峰的叠加，G'峰与石墨烯的电子能带结构密切相关，因此石墨烯的电子结构可以用共振拉曼散射来测定。
石墨烯电场效应下的拉曼光谱研究表明电子/空穴掺杂会影响石墨烯的电子-声子耦合，从而引起拉曼位移，因此，拉曼光谱是测定石墨烯的掺杂类型和掺杂浓度的有效手段。
如何判断石墨烯的质量？
如何判断石墨烯的质量是一个关键的问题，D峰为涉及一个缺陷散射的双共振拉曼过程，因此石墨烯的缺陷会反映在其拉曼D峰上，通过对石墨烯拉曼D峰的检测可以定量地对其缺陷密度进行研究。
由于石墨烯的带隙为零，通过化学修饰在sp2碳上引入sp3碳缺陷是人们打开石墨烯带隙的重要方法之一，因而D峰也是衡量其化学修饰程度的一个重要的指标。另外，石墨烯的层间堆垛方式、所处的环境温度、应力作用以及基底效应也会反映在其拉曼光谱特征峰的变化上。
Raman峰形能反映更多信息
对于sp2碳材料，除了其典型的拉曼D峰、G峰和G'峰，还有一些其他的二阶拉曼散射峰。大量的研究表明石墨烯含有一些二阶的和频与倍频拉曼峰，这些拉曼信号由于其强度较弱而容易被忽略。在1650～2300cm－1频率范围内，这些和频与倍频拉曼特征峰的峰位、峰型和强度对其层数和层间堆垛方式均具有很强的依赖性。
通过对这些弱信号的拉曼光谱进行分析，可以很好地对石墨烯中的电子-电子、电子-声子相互作用及其拉曼散射过程进行系统的研究。
石墨烯的声子色散曲线
在分析石墨烯的拉曼光谱前，首先介绍石墨烯的声子色散曲线。
图2.单层石墨烯的声子色散曲线
如图2所示，在单层石墨烯的一个原胞中包含有两个不等价的碳原子A和B，因此对于单层石墨烯来说，总共有六支声子色散曲线，分别为三个光学支(面内纵向光学支iLO、面内横向光学支iTO和面外横向光学支oTO)和三个声学支(面内纵向声学支iLA、面内横向声学支iTA和面外横向声学支oTA)。面内(i)和面外(o)分别为原子的振动方向平行或者垂直于石墨烯平面，纵向(L)和横向(T)即为原子的振动方向平行或者垂直于A-B碳碳键的方向。
石墨烯的典型拉曼光谱特征
图3. 514.5 nm 激光激发下单层石墨烯的典型拉曼光谱图
单层石墨烯有两个典型的拉曼特征，分别为位于1582 cm－1附近的G峰和位于2700cm－1左右的G'峰（如图3所示），而对于含有缺陷的石墨烯样品或者在石墨烯的边缘处，还会出现位于1350 cm－1左右的缺陷D峰，以及位于1620 cm－1附近的D'峰。
石墨烯各Raman特征峰如何产生？
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，因而可以产生不同的拉曼特征峰。
G 峰产生于sp2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量的增加向高波数线性位移，在一定的激光能量范围内，其色散斜率大约为50和100 cm－1/eV，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。
参考文献
[1] 吴娟霞，徐华，张锦.拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用[J].化学学报，2014(03):301-318.
[2] 陈汪洋等. 石墨烯及其复合功能材料应用研究进展[J]. 材料科学, 2015, 5(3): 62-71.
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
（来源 清新电源）