材料表征“多面手” | 蔡司关联系统多模态解析石墨烯

2004年，石墨烯在一张透明胶带上被“撕"了出来，这一突破性的发现打破了二维晶体无法稳定存在的传统理论，开启了二维材料新纪元。作为由单层碳原子组成的六边形蜂窝状二维材料，石墨烯不仅具备超高的机械强度以及优异的电导率、热导率、光学性能，还拥有独特的量子霍尔效应、界面效应等理化特性。

凭借得天独厚的性能优势，石墨烯在AI算力、5G基站、智能手机等的散热方案中扮演重要角色，同时深度赋能锂电池、固态电池等新能源领域，在6G 通信、量子芯片、柔性电子、航空航天、生物医疗、功能纺织、防腐涂层及海水淡化等方向展现出巨大的应用潜力。

如今石墨烯行业正迈入规模化、高增速的产业化发展阶段，而在产业化应用中，石墨烯的表面微观形貌、层数分布、厚度、表面粗糙度及缺陷密度和杂化程度等参数，是评判其材料质量、优化制备工艺、调控材料性能的核心依据。

单独的扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)以及原子力显微镜(AFM)往往只能获取石墨烯某一方面的信息，存在表征模式单一、来回转移定位不精准等局限。针对这一难题，蔡司 SEM-Raman、SEM-AFM 关联表征技术应运而生，弥补了单一检测技术的短板，实现对石墨烯微观结构与物理特性的一体化精准表征。

SEM - Raman 关联系统多方位解析石墨烯

SEM-Raman 关联系统也叫 RISE(Raman Imaging Scanning Electron Microscope)，利用这一技术，可对石墨烯微观结构进行系统的表征。

▲ 如图1（a）所示为SiO2衬底上CVD生长的石墨烯片层结构，SEM低电压图像清晰展现出了石墨烯的极表面形貌，不同的区域其衬度不同，表明样品的不均匀性。接着，RISE系统能够保证在图1（a）的不同位置（用不同颜色的十字标记）分别采集所对应的拉曼光谱，如图1（b）所示。

石墨烯的拉曼光谱主要由 G、G'和D三个拉曼峰组成。通过峰位以及G峰和G'峰的强度比IG/IG'，可得知对应位置的石墨烯层数，而G峰和D峰的强度比IG/ID则表明该位置的缺陷或位错的程度。因此，从 RISE 结果中可以明确看到，SEM 图像中红色标记的位置是单层石墨烯，且D 峰的出现表明该处单层石墨烯具有较高的缺陷密度。蓝色标记处对应的拉曼光谱其 G 峰强度高于 G'，同时伴随着 G' 峰位发生红移，表明该处对应着AB堆叠的双层石墨烯。而绿色标记则对应着 ABA 堆叠的三层石墨烯结构。与拉曼光谱对应，可以看到SEM图像中不同的衬度反映了不同层数的石墨烯。需要强调的是，RISE 系统的关联测试环境保证了拉曼测试与 SEM 图像中标记的样品位置一一对应，在高效的前提下，获得了可互相印证的结果。

除了针对特定位置进行关联拉曼分析，RISE还能对SEM所观察到的区域进行关联拉曼成像。

▲图3（a）为CVD生长得到的大面积单层石墨烯的低电压SEM图像，能够清晰观测到分散的深色斑点区域，以及在样品转移过程中产生的褶皱。通过图3（b）的RISE图像，可以快速对该样品的质量进行评估分析，可以看出RISE图像中绿色区域对应石墨烯产生褶皱的部位。红色和蓝色区域则分别代表单层石墨烯内部不同的应力分布。

SEM - AFM 关联系统多模态表征石墨烯

SEM-AFM 关联系统取长补短，兼顾两者优势。

▲图4 SEM下AFM针尖和铜网上石墨烯样品的形貌，利用SEM定位找到感兴趣区域，并进行应力测试，得到应力曲线。

如图 4 所示，SEM 能够对铜网上石墨烯样品进行高分辨成像和精确定位，AFM 能够直接在已定位的感兴趣区域进行扫描并进一步分析，如力学性能研究。

▲图5 不同条件下制备的石墨烯样品从光镜到SEM再到AFM的跨尺度关联测试。

如图 5 所示，还可以通过光学显微镜找到感兴趣石墨烯样品，通过光电关联在 SEM 中定位至同一位置，再利用原位 AFM 对不同条件下制备的石墨烯样品进行形貌及层厚表征。多设备关联系统不仅能够大大节约寻找与定位样品的时间，提高分析效率，而且能够轻松实现对石墨烯材料多样化的表征。

蔡司 SEM 与 Raman、AFM 的原位关联表征技术是高效、多角度表征石墨烯的利器，它能够将同一微区的形貌、层数分布、缺陷密度、力学性能等精确对应，让“所见"与“所测"合二为一，建立起从微观结构到宏观性能的“桥梁"。