扫描电镜在石墨烯材料分析中的应用

2004年，Novoselov等人首次在实验中成功的制备了单层的石墨烯[1]，打破了理论物理学家对二维材料在常温常压下易分解的预言，扩大了材料的应用范围。正是由于二维材料突破了三维块体在小尺寸的限制，其在量子尺寸效应上展示出了与块体材料不同的性质。因此引起了科学家对其广泛的研究。

石墨烯，即单层石墨，是由碳原子间sp2轨道杂化，形成的具有强共价键的六边形的晶格结构。如图1.1所示，碳原子有4个价电子，分布在2s22p2轨道上，受到电子间sp2杂化的影响，位于2s，2px，2py三个轨道的电子会在不同的原子间形成具有三个夹角为120°的共价键σ，从而构成平面三角形的结构，且键长为1.42Å。石墨烯之所以可以具有如此稳定的结构，主要是σ键起到了至关重要的作用。σ键的刚性为石墨烯带来了优异的机械性质，而剩余的一个未成键的pz轨道电子会与近邻的原子产生杂化，从而在垂直于石墨烯平面处形成π键。这些电子在石墨烯晶体中不受任何束缚且可自由移动，相当于一个大π键，因此石墨烯的导电性质也非常突出。

图1.1 石墨烯晶格结构

石墨烯来源于A，B两个子晶格，每一个晶格中都包含等价的碳原子的位点，石墨烯的原胞中分别包含了两个位于A晶格和B晶格的原子。石墨烯的堆叠方式，如图1.2所示，最常见的有三类：AAA（AA）型堆叠、ABA（AB）型堆叠和ABC型堆叠[2]。在三种堆叠方式中，AB型堆叠方式最为常见。

图1.2 石墨烯不同的堆叠方式

（a）六角堆叠（AAA），（b）伯纳尔堆叠（ABA），（c）斜六方体堆叠[2]

石墨烯的能带结构特征决定了其电子结构的特征。如图1.3所示，单层石墨烯与AA型堆叠的双层石墨烯具有相同的电子结构特征，均表现出了零带隙半金属的特性，而双层AB型堆叠的石墨烯会在外加电场的调控下打开带隙，进而呈现出半导体的性质。

图 1.3（a）单层石墨烯，（b）AA堆叠的双层石墨烯，（c）AB堆叠的双层石墨烯的电子结构示意图[3]

本文利用韩国COXEM台式扫描电子显微镜对石墨烯材料进行微观形貌观察，可以明显看出其具有片层结构且片层堆叠在一起，由上述文献可知，石墨烯堆叠方式的不同，其所展现的材料性质也不尽相同，可为后续石墨烯的应用提供良好的参考依据。

图1.4金属陶瓷材料SEM图; 放大倍数：A:500×；B:1000×；C:5000×；D:10000×

参考文献

[1] Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science, 2004, 306(5696): 666-669.

[2] Bao C H, Yao W, Wang E Y, et al. Stacking-dependent electronic structure of trilayer  graphene resolved by nanospot angle-resolved photoemission spectroscopy[J]. Nano Letters, 2017, 17, 1564-1568.

[3] Ohta T, Bostwick A, Seyller T, et al. Controlling the electronic structure of bilayer graphene[J]. Science, 2006, 313, 951-953.