ICS 17.180.30 CCS N 35 中华人民共和国国家标准 GB/T 40069—2021 纳米技术 石墨烯相关二维材料的 层数测量 拉曼光谱法 NanotechnologiesMeasurement of the number of layers of graphene-related two-dimensional (2D) materialsRaman spectroscopy method 2021-12-01实施 2021-05-21发布 国家市场监督管理总局 发布 国家标准化管理委员会 GB/T 40069—2021 次 目 前言 引言 1范围 2规范性引用文件 3术语和定义 样品准备 5 基于2D模的线型测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（A法） 6基于SiO2/Si衬底的硅拉曼模峰高测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（B法） 7测试报告 附录A（资料性）拉曼光谱法测量石墨烯薄片层数的各种方法概要一览表 附录B（资料性）基于G模的峰高测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（C法） 附录C（资料性) 典型拉曼峰的光谱参数示意图： 附录D（资料性） 石墨烯相关二维材料的转移操作步骤 13 附录E（资料性）基于2D模的线型测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（A法）的表征实例 15 附录F（资料性） 基于SiO2/Si衬底的硅拉曼模峰高测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（B法） 的表征实例· 附录G（资料性）基于SiO2/Si衬底的硅拉曼模峰高测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（B法） 的Ic（Si)/I.（Si）理论计算结果（532nm激光） 19 附录H（资料性）基于SiO2/Si衬底的硅拉曼模峰高测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（B法） （633nm激光） 20 附录 (资料性) 测试报告范例 22 附录J（资料性） 基于G模的峰高测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（C法）的表征实例 :23 参考文献 25 GB/T40069—2021 前言 本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 本文件由中国科学院提出。 本文件由全国纳米技术标准化技术委员会纳米材料分技术委员会（SAC/TC279/SC1)归口。 本文件起草单位：中国科学院半导体研究所、贝特瑞新材料集团股份有限公司、河北大学、东南大 学、冶金工业信息标准研究院 本文件主要起草人：谭平恒、梁奇、李晓莉、刘雪璐、倪振华、贺雪琴、李倩 GB/T40069—2021 引言 石墨烯相关二维材料（层数不多于10的碳基二维材料，包括石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、氧化 石墨烯等）具有优异的电学、光学、力学、热学等性能，在学术及工业界都引起了人们广泛的兴趣。石墨 烯相关二维材料的层数是影响其性能的关键参数。层数的准确测量是研究、开发和应用石墨烯相关二 维材料的核心问题之一。拉曼光谱作为一种快速、无损和高灵敏度的光谱表征方法，在石墨烯相关二维 材料，例如层数小于或等于10的石墨烯薄片的层数测量中已被广泛应用。机械剥离方法制备的石墨烯 薄片具有明确的堆垛方式和较大的样品尺寸，其拉曼特征模式的光谱参数如G模的峰高和2D模的线 型随层数变化且呈现一定的规律性。同时，石墨烯薄片下硅衬底的拉曼峰高也与石墨烯薄片的层数相 关。利用上述光谱参数随层数的变化关系可以准确测量石墨烯薄片的层数。 方法均不是具有确定意义的通用手段。在实际应用中需根据样品结晶性和微观结构特点选择合适的表 征方法（或多种表征方法）综合使用与分析。 本文件的制定，将为利用拉曼光谱法进行机械剥离方法制备的石墨烯薄片的层数测量提供科学可 靠的依据以及标准的实验方法，促进拉曼光谱在纳米技术领域及石墨烯相关二维材料产业中的推广应 用，并为石墨烯相关二维材料的生产和研究提供技术指导。 本文件的发布机构提请注意，声明符合本文件时，本文件第6章的相关内容涉及专利。 本文件的发布机构对于专利的真实性、有效性和范围无任何立场 该专利持有人已向本文件的发布机构保证，他愿意同任何申请人在合理且无歧视的条款和条件下， 免费许可任何组织或者个人在实施该国家标准时实施专利。该专利持有人的声明已在本文件的发布机 构备案。相关信息可通过以下方式获得： 专利持有人：中国科学院半导体研究所 地址：北京市海淀区清华东路甲35号 邮编：100083 请注意除上述专利外，本文件的某些内容仍可能涉及专利。本文件的发布机构不应承担识别这些 专利的责任。 IV GB/T40069—2021 纳米技术石墨烯相关二维材料的 层数测量拉曼光谱法 警示：本文件涉及使用激光器，其产生的激光对眼睛可能产生不可逆的损伤。使用激光器时应佩戴 对应的激光防护眼镜，严禁用眼睛直视激光，避免激光经光学元件反射进入人眼。操作人员应接受过相 关安全培训。 1范围 本文件规定了使用拉曼光谱测量石墨烯相关二维材料的层数的方法。 本文件适用于利用机械剥离法制备的、横向尺寸不小于2um的石墨烯薄片的层数测量。化学气 相沉积（CVD：chemicalvapordeposition）法制备的以AB堆垛或ABC堆垛的石墨烯薄片可参照本方 法执行。 注1：测量石墨烯薄片的层数时，可单独或者综合几种方法联合测量并相互验证。 薄片层数测量的拉曼光谱法。附录A给出了拉曼光谱法测量石墨烯薄片层数的各种方法概要一览表。附录B 给出了基于石墨烯薄片G模的峰高（C法）进行石墨烯薄片层数测量的拉曼光谱法。 2规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文 件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于 本文件。 GB/T30544.13纳米科技术语第13部分：石墨烯及相关二维材料 GB/T33252纳米技术激光共聚焦显微拉曼光谱仪性能测试 JJF1544拉曼光谱仪校准规范 3 术语和定义 GB/T30544.13.GB/T33252界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1石墨烯相关二维材料相关术语 3.1.1 石墨烯相关二维材料graphene-related2Dmaterial;GR2M 层数不多于10的碳基二维材料。 注：包括石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、氧化石墨烯等 1 SAC GB/T40069—2021 3.1.2 石墨烯薄片grapheneflake 石墨烯纳米片graphenenanoplate；graphenenanoplateletGNP 由石墨烯层构成的纳米片。 注：常见厚度小于3nm，横向尺寸范围约为100nm~100μm。 ［来源：GB/T30544.13—2018，3.1.2.11有修改］ 3.1.3 层数 number of layers 《二维材料》构成二维材料的层的数目。 3.2 2拉曼光谱相关术语 3.2.1 拉曼光谱 Ramanspectrum 当物质受到单色辐射能照射时，由于非弹性散射产生的已调制频移的光谱、 注1：非弹性散射指受到介质的旋转激发、振动激发或声子激发。 注2：调制频移指单色辐射光子的能量损失或者增益。 ［来源：GB/T33252—2016,2.1] 3.2.2 拉曼峰 Raman peak; Raman mode; Raman band 拉曼光谱中具有一定形状的谱峰。 注1：每种散射介质都有其特定的拉曼峰 注2：包括峰位、峰高、峰面积、峰宽和线型等光谱特征，参见附录C的图C.1 3.2.3 峰高 peak height; peak maximum 拉曼峰的最高点与基线之间的垂直距离。 3.2.4 峰面积 peakarea 峰强peakintensity 拉曼峰与基线包围的面积。 3.2.5 峰位 peakposition 人射单色光与拉曼峰最高点位置之间的波数差值。 注：也称为拉曼频移，单位为波数（cm-"）。 3.2.6 峰宽 peakwidth 拉曼峰两侧位于1/2峰高处之间的频移差。 注：又称为半高全宽（FullWidthatHalfMaximum，FWHM）。 3.2.7 G模 Gmode G峰 与石墨烯层内最近邻碳原子间伸缩振动相关的特征峰。 注1：一般位于1582cm-附近，与石墨烯层数无关， 注2：G峰频移会受到应力和载流子浓度等因素影响， 2 GB/T40069—2021 3.2.8 D模Dmode D峰 与石墨烯薄片边缘和层内结构缺陷相关的位于1300cm-1～1400cm-的特征峰。 注1：D模是由无序激活的石墨烯相关二维材料靠近布里渊区边界K点的TO声子模。D模与G模的峰高比值的 大小可一定程度上反映石墨烯晶格结构的无序程度。 注2：D模频移与激发光光子能量有关，一般呈线性关系，斜率为50cm-/eV。 3.2.9 2D模2Dmode 2D峰 石墨烯薄片的位于2600cm-1～2800cm-的特征峰。 注1：也称G模，其频率与D模的二倍频率接近。其线型与石墨烯相关二维材料的电子能带结构有关。 注2：2D模频移与激发光光子能量有关，一般呈线性关系，斜率约为100cm-/eV。 4样品准备 4.1本文件使用的衬底应为表面具有90nm土5nm厚的二氧化硅（SiO2）层的硅（Si）衬底，以下称之为 90nmSiOz/Si衬底 4.2对于机械剥离法制备于90nmSiO2/Si衬底的石墨烯薄片，可以直接使用，无需进一步处理 4.3对于CVD制备的石墨烯薄片样品，需将样品转移至90nmSiO2/Si衬底上（具体步骤参见附录 D)。 4.4在显微镜下观测样品，测试区域内应无明显杂质 5 基于2D模的线型测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（A法） 5.1原理 基于2D模的线型测量石墨烯薄片层数的拉曼光谱法（A法）的原理如下： a） 石墨烯薄片的2D峰来源于布里渊区边界K点附近TO声子的双共振拉曼散射过程，因此不 同层数石墨烯薄片的2D模显示出独特的线型。单层石墨烯在狄拉克点附近具有线性能带结 构，基于该能带结构的双共振拉曼散射所激活的2D模具有单个洛伦兹线型，且不受单层石墨 烯的制备方法和所放置的衬底的影响。随着石墨烯薄片层数的改变，石墨烯薄片2D模的线 型也发生显著的改变，且该线型与激发光波长紧密相关 b）对于特定的激光线，如633nm激光，单层和2～4层AB堆垛的石墨烯薄片分别具有独特的 2D模线型，如图1所示。但这些特征在532nm激光激发下并不明显，因此石墨烯薄片的层数 可由633nm激光激发的2D模线型来判定。 c）此方法适用于单层石墨烯和具有AB堆垛的、且层数不超过4层的石墨烯薄片的层数测量。 3