基于拉曼光谱表征的石墨烯应变测量技术研究

Graphene is a two-dimensional crystal that combines many superior properties from mechanical to electronic, suggesting many novel applications in flexible devices, such as touch screens, electronic papers, and flexible super-capacitors. A systematic study on graphene strain during the deformation of devices, helps design and produce graphene devices with better performance. Raman spectroscopy can detect the changes in graphene lattices by measuring the phonon frequencies they generate, therefore providing a reliable means to measure graphene strain, based on the corresponding Raman peak shift in graphene spectra. In this study, we will establish the technique to probe graphene strain by Raman spectroscopy, from its theory to experiments. The study will focus on the in-situ high-resolution measurements of the strain distribution and interfacial sliding of graphene when its supporting substrate is under deformation, and attempt to improve the interaction between graphene and substrates for better device applications. This study will not only help understand the mechanical behaviors of graphene, as well as the interfaces between graphene and various flexible substrates, but also help develop and improve the existing graphene technologies.

由于其优异的力学和电学特性，石墨烯在柔性器件中表现出日益巨大的应用潜力。对变形过程中的石墨烯进行应变测量研究，可以为石墨烯器件的设计和运行提供数据和理论参考，是提高石墨烯器件可靠性和耐用性的重要环节。拉曼光谱技术能够通过检测声子频率，对晶格变化特征做出分析，因此可以与应变建立直接的联系。本项目将在对石墨烯的拉曼光谱技术进行深入研究的基础上，通过系统的理论计算和实验研究，建立石墨烯应变光测技术的实验体系，实现对变形过程中石墨烯应变分布和界面滑移的原位高分辨检测，并在测量基础上，对石墨烯与基底间的界面作用进行初步的优化探索，提高石墨烯应变分布的均匀性和滑移临界值。本项目不但有助于开发高效无损的新型石墨烯应变检测技术，深化对石墨烯应变的认识，而且能够丰富对柔性基底与石墨烯界面作用的了解，对于推动石墨烯器件的技术优化与创新，有着重要的科学意义和应用价值。

作为代表性的二维材料，由于其所具有的多种优异特性的结合，石墨烯正在日益表现出在柔性器件领域中的巨大应用潜力。对于石墨烯器件而言，实现其可靠性和耐用性的基础环节之一，是对石墨烯的力学行为有着深入而系统的认识。拉曼光谱表征是一种光谱学测量技术，当石墨烯产生应变时，晶格振动和声子频率会发生变化，拉曼特征峰的峰位也会发生偏移，因此拉曼光谱可以用来对石墨烯的应变进行测量。.在本项目执行过程中，主要研究内容包括：1、为实现对石墨烯样品的拉曼光谱观测，前期进行了相对集中的样品制备探索，特别是大面积连续均匀的石墨烯薄膜样品制备，并对其生长动力学进行研究；2、开发新型观测石墨烯内部结构和缺陷的表征手段，以实现对样品质量的预评估；3、对拉伸状态下的石墨烯薄膜样品进行原位拉曼光谱检测。. 重要结果包括：1、实现大面积单层单晶和多晶石墨烯的制备，其中单晶石墨烯的尺寸可达1厘米，多晶石墨烯内部晶畴尺寸可达3毫米，均处于世界先进水平；2、实现大面积均匀双层石墨烯的制备并解释其层上生长机理，双层均匀性可达90%以上，处于世界先进水平；3、发展了一种可以在原制备基底表面直接检测石墨烯层数的方法，极大提高了对石墨烯结构的检测效率；4、自制了可实现对石墨烯进行加载的拉曼光谱原位测量样品台，并发展了一套和石墨烯之间具有较强界面的柔性基底体系；5、实现了对石墨烯内部晶界和晶向影响下拉曼光谱的原位检测。. 关键数据主要包括：1、对石墨烯尺寸和层数进行调控的相关制备参数；2、对石墨烯层数进行可视化的关键处理参数；3、新型柔性基底体系的化学调配参数及准备技术等。. 上述研究结果不但为石墨烯薄膜材料的工业化提供了潜在技术，而且发展出来的原位力学-拉曼检测平台，也为纳米材料内部应变的高效准确检测提供了手段，考虑到二维材料所具有的面内刚度与面外柔性的结合，有效的应变测量技术是非常必要的。