二维材料的变温拉曼光谱研究

荣 新,刘国超,栾弘义,王子豪,张朝晖

(北京大学 物理学院，北京 100871)

1928年印度物理学家拉曼(C.V.Raman)等人发现了一种新的光散射现象[1]，即光被物质散射后其频率会增大或减小，称之为拉曼散射. 拉曼散射光频率的改变说明在光与物质相互作用过程中两者之间存在着能量转换或转移，因此拉曼散射是非弹性散射. 大量的光谱学研究表明，拉曼散射的光谱直接反映分子振动或转动、晶格振动的能级结构特征，是物质微观结构研究的重要内容. 由于拉曼光谱是材料微观结构特征的宏观表现，其独特性像指纹一样成为材料物性鉴别的重要手段，广泛应用于材料物理鉴定、有机或无机分子检测、污染物监测、生物医疗、探矿考古、刑事侦查等领域[2]. 拉曼光谱信号相比于光致或电致荧光信号弱很多，这限制了拉曼光谱的应用. 随着1960年激光器的问世，用激光作为光源可大幅增强拉曼光谱信号的强度，同时，光谱仪、弱光信号探测器、显微共焦成像系统、计算机等也先后引入到拉曼测试系统，成为商用拉曼光谱仪的标准配置. 近年，石墨烯等二维材料研究的兴起为拉曼光谱的应用和研究提供了新的素材，并对拉曼光谱技术本身的发展提出了新的要求. 目前，商用拉曼光谱仪价格较贵、设计高度集成、功能相对固定，难以满足特殊用途的需求. 为此，北京大学基础物理实验教学中心自主研制了多种高性能拉曼光学显微镜，结合商用光谱仪形成了较完整的拉曼光谱表征系统，实现了显微共焦成像、变温拉曼光谱、拉曼光谱扫描成像、探针和光电联动采集等功能，满足物理实验教学和各种不同条件的测试应用.

1 拉曼光谱技术及应用简介

1.1 拉曼散射

作为光与物质相互作用的一种类型，拉曼散射是指光被物质散射过程中，绝大多数散射光与入射光的频率基本相同，称为瑞利散射，属于弹性散射；有少数散射光与入射光频率不同，属于非弹性散射，散射光与入射光的频率差称为频移，根据频移的大小又分为拉曼散射(频移大于1 cm-1)和布里渊散射(频移10-5～1 cm-1). 拉曼散射的研究对象主要是某些分子或原子的振动或晶体中的声子模等，这些振动模式所具有的特征能量对应该振动模式的基态和激发态的能级差. 因此，拉曼散射根据其跃迁方式不同有2种类型：光被物质散射后其频率减小，称为斯托克斯线，另一种散射后其频率增大，称为反斯托克斯线. 由于频移反映了被测物质的某种特定振动模式(能级差)，因此斯托克斯线与反斯托克斯线的峰位对称分布于入射光频率两侧，由于跃迁方式不同，斯托克斯线与反斯托克斯线的强度也不同，由于温度影响基态和激发态的粒子占据数，斯托克斯线与反斯托克斯线的强度比还可原位反映被测物质的局部温度.

1.2 拉曼光谱

光谱学是利用光谱研究光与物质相互作用的学科，通过光谱测试得到物质的特征谱，主要分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱. 拉曼光谱是利用拉曼散射效应对散射光进行光谱分析. 由于斯托克斯线与反斯托克斯线的频移的大小相同，而斯托克斯线强度更强，所以通常拉曼光谱中只测试斯托克斯线. 由于拉曼光谱信号弱，因此增强其信号强度是重要研究内容，国际上逐渐发展出了表面增强拉曼(SERS)、针尖增强拉曼(TERS)、共振拉曼光谱(RRS)、超拉曼散射光谱(Hyper-Raman)等. 为了增强拉曼光谱信号的信噪比，通常需要在不损坏被测样品的情况下尽量提高激光强度，并提高光谱仪的探测灵敏度，同时优化光路以抑制杂散光，对于某些高阶峰还需要适当延长测试的积分时间.

拉曼光谱是材料的一种无损测量方法，拉曼光谱系统通常也可以同时测试光致荧光谱(PL谱). 拉曼谱与荧光谱的显著区别是：改变入射激光频率，散射光的频率随之改变，但拉曼频移保持不变. 此外，拉曼光谱相对于荧光强度弱很多，拉曼光谱具有偏振选择性，对光路几何配置很敏感，这是由于拉曼谱对应材料一定的振动模式，根据对称性，特定几何配置只能观察到某些特定振动模式的拉曼峰，换言之，拉曼光谱中含有体系的对称性的信息，而荧光谱通常不具备这样的性质. 荧光谱的激发光频率通常需要大于发出荧光的频率，而拉曼谱的激发光频率几乎不受限制，如可以用可见光区激光激发研究宽禁带半导体材料的拉曼谱. 研究材料分子、原子或晶格振动常见的测试手段除了拉曼光谱外还有红外吸收谱. 测试拉曼光谱的前提是材料的振动模式具有拉曼活性(根据量子力学选择定则). 对于材料的某种振动模式，是否具有拉曼活性取决于振动时是否有极化率振荡，而是否具有红外活性取决于振动时是否有电荷偶极振荡. 红外吸收谱中通常含有水谱和空气谱的干扰，但拉曼光谱的激发光可以选在可见光范围，从而避免水和空气的干扰. 拉曼光谱和红外吸收谱一起构成了完整的分子、原子或晶格振动模式的物性表征方法.

1.3 拉曼光谱技术

拉曼光谱的光路设计中通常含有显微共焦成像系统，具备微区成像功能，可对样品的不同位置进行测试，因此其光路中要设置照明光路、一定反射透射比的分束器(BS)和CCD成像系统. 测试拉曼光谱需要考虑抑制非常强的瑞利散射，因此需要特定波长的滤色片，滤色片的功能是抑制瑞利散射但能让散射后频率改变的光透过. 通常的拉曼光谱配置的滤色片为边缘滤光片，只能允许比激光波长更长的光透过，因此只能测试斯托克斯线. 在低波数拉曼光谱(<40 cm-1)中，可同时测量斯托克斯线和反斯托克斯线，配置的滤色片为陷波片，能允许比激光波长更长或更短的光透过. 除了低波数拉曼光谱，部分拉曼光谱仪还可以切换激光器的波长、具备变温测试系统、拉曼光谱扫描成像系统以及光电综合测试系统等功能. 为了获得拉曼峰的振动的对称性信息需要一定的几何配置，具体在激光入射光路和信号收集光路加上相应的偏振片或波片.

1.4 拉曼光谱的应用

材料物理常见的表征方法很多：有的涉及扫描探针技术，如原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)等；有的涉及光谱技术，如拉曼光谱、光致荧光谱(PL)、阴极射线谱(CL)、吸收谱、透射谱、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、椭偏谱等；有涉的及能谱技术，如X射线光电子谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)、角分辨光电子谱(ARPES)等；有的涉及光的衍射，如X射线单晶或多晶衍射；有的涉及电子衍射，电子衍射包括透射电子衍射(TEM)、反射高能电子衍射(RHEED)、低能电子衍射(LEED)等；有的涉及电学表征，如霍尔测试(Hall)及I-V和C-V电阻率测试、深能级瞬态谱(DLTS)等；也有的涉及电光综合测试，如光电流谱、功率谱等. 部分表征方法涉及时间分辨、空间分辨、角分辨、偏振、变温、变激发功率、线扫描、扫描成像等测试模式，如果涉及材料生长还分为原位表征方式和非原位表征方式，这些方式可进一步反映出材料的更多性质.

拉曼光谱近年在材料物理领域的主要研究对象包括半导体超晶格、低维纳米材料(如碳纳米材料)和新型二维材料等[3-10]. 如石墨烯材料的拉曼光谱有G峰和2D峰(又称为G′峰)，通过二者强度比可以初步判断石墨烯的原子层数. 通常拉曼峰(频移量)是不随激光器的激发波长改变的，但对于石墨烯的2D峰，由于不同激光对应能量不同，激发的电子的倒空间波矢也不同，因此发射的1对声子的波矢也不同，在声子色散谱中对应的声子频率通常也不同，所以，石墨烯的2D峰随着激发波长的改变会有微小移动. 近年，二维材料研究的兴起使拉曼光谱的应用和研究更加活跃，并对拉曼光谱技术本身的发展提出新的要求，低波数拉曼、变温拉曼、拉曼光谱扫描成像等技术在材料物性表征中发挥了更大的作用.

2 多功能拉曼光谱测试系统

(a)实物照片

(b)光路图图1 变温拉曼光谱仪及其光路图

北京大学基础物理实验教学中心近年来自主研制了多套拉曼光谱仪，其中变温系统如图1所示. 光路中包含多个带通滤光片、截止滤光片、BS以及衰减片等，多个波长的截止滤光片和BS装在同一轮盘上，可以方便切换；同时配置白光照明光路、物镜(50×或10×)和CCD，实现显微共焦成像系统，并通过2个互成90°的BS可以实现光谱测试和显微成像之间的切换. 这些系统中激光波长包括325 nm,488 nm,532 nm,633 nm,1 064 nm等，并配置外置激光器接口. 光谱仪为JY iHR550型，含3块不同划痕密度的反射光栅，光谱仪CCD包含紫外、可见、近红外等多个类型. 在普通拉曼光谱系统基础上研发了变温拉曼、拉曼光谱扫描成像、四探针光电综合测试系统等多种类型[7]. 变温测试中，需要将样品置于真空环境，目前变温范围为8～300 K. 样品台的下方集成了压电陶瓷管，通过自主开发的软件对其输入驱动电压，在X-Y平面可实现70 μm×70 μm范围的扫描成像测试. 光电综合测试系统中探针台处于真空腔中，探针由压电陶瓷控制，可实现光电综合测试.

2.1 变温拉曼光谱系统

将拉曼系统中集成变温设备，该设备与其他表征系统中的变温设备基本相同(采购商用的变温模块产品即可达到要求). 该系统中包含以下模块：

1) 控温模块

目前本系统主要工作温度范围为8～300 K，根据该温度范围，系统采用的制冷机的降温原理，即通过压缩机将高低压氦气循环从而实现降温，二级冷头理论温度接近2 K，一级冷头(冷屏)温度约30～40 K，同时，设备中配置了2个加热丝(加热棒)和4个温度传感器，并预留部分导线用于给样品做相应电学测试. 冷头和加热丝之间通过热交换达到热平衡，可以使样品温度在工作温度范围内可控，由于温度传感器测试的是样品座的温度，因此实际操作中需等待温度稳定数分钟，确保样品的温度基本与样品座温度一致后再进行测试，等待时间长短取决于样品大小以及粘贴样品的低温胶的性能. 控温需要专用的温控仪，如SRS温控仪系列，温度传感器信号输入(Input)温控仪，温控仪根据当前温度和PID(比例-积分-微分)参量对加热丝进行输出(Output)，施加一定的电压、电流，经过不断反馈从而实现控温功能. 控温过程可以由1台电脑控制，常见的LabVIEW程序可以很好地控制温控仪工作. 物镜镜头焦距为10 mm，变温的样品台和物镜镜头都在真空腔内，外置光路等在真空腔外，真空度可以达到10-2～10-4Pa.

2) 减振模块

为了在变温情况下实现很好的微区测试，减振是很重要的. 常见的显微共焦成像系统分为正置和倒置2种方式，本系统采用正置方式. 本系统控温时氦气由压缩机控制按1次/s的频率流经冷头，该过程不可避免地对系统引入振动. 目前主要的减振方法是将一级冷头和二级冷头通过“软连接”导热的方式分别与冷屏和样品杆相连，设备外壳和真空罩也通过波纹管相连，同时，还可以引入质量补偿模块和阻尼模块，以进一步达到减振的效果. 变温过程中，由于样品杆的热形变和振动等因素会对样品座施加一定应力，为此需要适当微调聚焦物镜，以使激光在不同温度时都能很好地会聚到样品表面. 减振模块是系统模块，一般由厂家专门设计研发.

2.2 拉曼光谱扫描成像系统

将拉曼系统中集成扫描成像功能，该功能为自主研发，包含以下部分：

1) 压电陶瓷模块

目前本系统可实现70 μm×70 μm范围的扫描成像测试. 常见有2种扫描成像方式，一种是样品的水平位置不动，物镜做XY扫描；另一种是物镜不动，样品做XY扫描，本系统采用后者. 样品座下方的核心部件是压电陶瓷管，其内外壁均镀有金属电极，并沿纵向均匀切割成内外各4个电极，这8个电极中外壁某个电极与对侧内壁相应电极两两短路，因此总共有效的电极为4个，分别记为X+,X-,Y+,Y-. 通过在X+和X-之间加电压可使对侧压电陶瓷管朝相同方向偏移，进而实现样品台在X方向上的微小偏移，Y+和Y-也如此，从而实现网格状扫描. 由于压电陶瓷管的结构，在X-Y方向的扫描带来Z方向位移是二阶小量，因此可以忽略. 样品台位移控制精度小于100 nm，远小于激光光斑大小(～1 μm)，因此完全能满足扫描成像的测试要求.

2) 扫描驱动电路和软件控制系统

大多数扫描模块是由商业开发的软件系统控制，其功能较多但都很固定，无法满足用户自行开发的需求，为此自主开发了扫描系统. 其设计思路是简化电子电路部分，将原本由电子电路部分的计算和控制过程由计算机完成，电子电路部分只保留电压线性放大和功率适配功能，由于计算机编程软件较为灵活方便按需要进行自定义. 由于需要对压电陶瓷施加电压，因此需要数字-模拟信号转换卡(D/A转换卡)，D/A转换卡采用ADlink公司的PCI-6216V型，采样频率200 kHz，电压运算放大器采用TI(Texas Instruments)公司的3584JM型，分为2倍、4倍、8倍、14倍放大器，不同倍数通过继电器来切换，压电陶瓷管的最大电压可达±140 V. 控制软件采用C++和Lua语言(www.lua.org)编写，在Windows系统下运行，每个点的采集时间可以在软件上进行设置，相邻点之间样品台的移动时间为0.5 s，扫描区域范围和扫描精度可以在软件上设置，软件还可以实现对CCD的控温并从CCD获取光谱数据(需要SDK)，在软件上设置好关注的峰位波长和基线范围，可实时显示扫描成像的结果.

2.3 光电综合测试系统

本系统的主要部件是置于真空腔的扫描探针台和样品台，它们一起固定在质量较大的圆盘上，并通过永磁体构成隔振阻尼系统. 扫描探针台由4个独立的STM单元对称分布于样品台周围，每个独立单元均由压电陶瓷管实现XYZ步进移动，样品台同样由压电陶瓷管控制，可实现XY扫描. 探针工作时，需要采集其与样品的隧道电流，因此需要前置放大器(107V/A)将放大的电压信号经A/D转换卡导入计算机进行反馈，反馈算法是常见的PID算法，该反馈计算过程由计算机完成，反馈控制进一步通过D/A转换卡对探针位置进行校正. 样品台上方物镜的焦距是20 mm，物镜位于真空腔内，可上下移动. 该系统的特点是：4个探针可以靠得很近而进行多探针共成像，可以利用探针进行电输运测量，还可以在外光路激光的激发下进行光电流测试等各种复杂的光电综合测试，该系统已经获得中国发明专利授权[11]. 如在石墨烯场效应管中通过加栅压可以对其载流子类型和载流子浓度进行调控，器件工作时存在传导电流，通过本系统可以研究传导电流对石墨烯拉曼光谱的影响. 随着电流的增大，其G峰和2D峰都向低波数方向移动，偏移量与电流的平方成正比，因此该结果可用电流的焦耳热效应予以解释[7].

3 典型材料的拉曼光谱研究

3.1 石墨烯、二硫化钼的拉曼光谱概述

石墨烯和二硫化钼(MoS2)等是典型的二维材料，二者的原子结构有一定相似性，主要的不同表现为：石墨烯具有狄拉克锥的能带结构，是零带隙材料，而MoS2是有带隙的，约为1.85 eV，这导致石墨烯在以半导体方式应用时需要通过掺杂、应力等方式打开带隙，而MoS2的优势是有带隙，但MoS2的电子迁移率很低，在半导体应用方面仍显不足. 另外，二者的对称性不同，单层石墨烯具有空间反演对称性，而单层MoS2不具有空间反演对称性，这导致二者对圆偏振光的响应不同，单层MoS2的K谷和K′谷对圆偏振光的吸收响应不同，会引起谷极化效应[9,12-13]，但单层石墨烯没有这种效应. 石墨烯和MoS2的制备方法有多种，本实验中的样品是通过化学气相外延(CVD)的方法在Si衬底上制备的.

图2 石墨烯的拉曼光谱

图4 能带图中石墨烯的拉曼特征峰的产生过程

单层石墨烯的本征拉曼峰见图2[14]，忽略3阶效应，包括4个峰：G峰(～1 580 cm-1，E2g)，2D峰(～2 700 cm-1，又称为G′峰)，D+D″峰(～2 450 cm-1，又称为G*峰[15]或D+T峰[16])，2D′峰(～3 240 cm-1)，尽管这些名称中有的含有D，但以上峰均为本征峰，与缺陷无关. 其中，G峰是一阶拉曼散射，G峰的峰位与入射激光器波长无关，但与原子层厚有关. 2D,D+D″和2D′为二阶拉曼峰，源于双声子共振，它们随入射激光器波长的改变而改变，原因是激光器能量变化影响了激发电子的波矢(在K点附近)而影响了发生共振的声子的波矢(如图3和图4所示[15，17])，进而根据声子色散谱影响了拉曼峰位. 一般认为，随着激发波长变短(能量变高)，2D和2D′峰位向高波数移动，而D+D″向低波数移动[15]. 对于G峰随层厚的移动，单层石墨烯的G峰在1 587 cm-1，随着层厚增加而向低波数移动，直至石墨的G峰位于1 582 cm-1[18-20]，需要说明的是：石墨烯G峰峰位与其所受的应力条件(如衬底不同)或所处的温度条件密切相关，不同实验条件下峰位不完全一致. 随着层厚的增加，G峰和2D峰的强度比IG/I2D逐渐变大，根据强度比可以初步判断石墨烯的原子层数. 单层石墨烯的缺陷峰有3个：D峰(～1 350 cm-1)、D′峰(～1 610 cm-1)、D+D′峰. 对于单层石墨烯，2D峰是洛伦兹线型，对于双原子层石墨烯(2L-G)，2D峰是可以看出4个洛伦兹线型的叠加，对于3层石墨烯(3L-G)，2D峰可以看成6个洛伦兹线型的叠加，从单层石墨烯到2L-G，其能带图中K点的狄拉克锥的上下支都将分裂为2支，光激发时电子跃迁有更多的方式，总共对应4种声子频率[15].

图5 石墨烯和石墨的各种典型振动模式

从对称群的角度看，单层石墨烯的空间群为D6h(1)(即P6/mmm)，石墨的空间群为D6h(4)(即P63/mmc)，它们典型的振动模式如图5所示[14,20-21](其中未标注声学模式的均为光学模式). 石墨烯在布里渊区中心Γ点(q=0)的表示为[14]：Γ=A2u+B2g+E1u+E2g. 单层石墨烯原胞中有2个(计为n)碳原子，因此总共有6个(3n)振动模式，其中3个声学模式：A2u对应oTA，E1u(二重简并)对应iLA/iTA；3个光学模式：B2g对应oTO，E2g对应(二重简并)iLO/iTO. 这里A2u等符号一般指倒空间的Γ点，而oTA等符号适用于全部倒空间，字母o代表面外振动，字母i代表面内振动. 以上模式中只有E2g是拉曼活性的，因此，单层石墨烯的一阶拉曼峰只有1个，即G峰. 以上表示可以理解为简正振动模式，其中A和B代表群的一维表示，A代表绕主轴旋转2π/6是对称的(C6的特征标为1)，B代表绕主轴旋转2π/6是反对称的(C6的特征标为-1)，E代表群的二维表示(二重简并)，三重简并用T表示，但石墨烯所属群中不含三重简并的表示；对于A和B，下角标1和2分别代表对垂直于主轴的C2是对称的或反对称的，对于E下角标一般仅用于编号；石墨烯所属群中含有空间反演群元，g代表该表示空间反演对称(空间反演群元的特征标为正)，u代表空间反演反对称(特征标为负)；有时群表示还有上标“′”或“″”，分别代表对σh是对称的或反对称的. 石墨Γ点的不可约表示为[14]Γ=2(A2u+B2g+E1u+E2g). 石墨原胞中有4个碳原子，因此共有12个振动模式，其中3个声学模式A2u+E1u(1+2=3)，9个(3n-3)光学模式A2u+E1u+B2g(1) +B2g(2) +E2g(1) +E2g(2)(1+2+1+1+2+2=9). 石墨中，有2个拉曼活性的，分别为E2g(1)的42 cm-1(C峰，剪切模)和E2g(2)的1 582 cm-1[5,20]，单层石墨烯中没有低波数的C峰，双层石墨烯直到石墨中都存在C峰[5].

图6 不同层MoS2的拉曼光谱

图7 MoS2声子色散关系

图8 MoS2的典型振动模式

3.2 Si、石墨烯、MoS2的变温拉曼谱

变温拉曼光谱仪可用于研究由温度主导的各种效应，掌握材料的温度特性. 变温测试中，样品处于高真空环境中，由于表面物理和低维纳米材料对测试环境十分敏感，因此真空环境有效避免了样品被氧化或污染. 同时该系统与分子束外延(MBE)系统相结合，可使材料生长后不脱离真空环境下测试拉曼光谱，更好地控制生长条件或研究生长机理[7]. 此外，还适用于某些特殊测试条件，如强激光注入条件、器件需低温工作、有外加电流/电压热效应明显、样品发光局部温度高等. 变温光谱研究变温条件下光谱峰位和半高宽(FWHM)的定量变化，该表征方法对研究材料的温度特性，如热膨胀系数、热导率以及研究材料原子结构、器件的热管理等具有重要意义[25]. 变温光谱的重要性还体现在结合变激发功率测试形成完整的“光谱指认”方法，对某些未知峰的成因进行分析和标定，若结合样品显微成像和扫描成像等手段可对材料的性质有更清晰全面的认识.

二维材料是在Si衬底上制备的，Si的拉曼峰主要有4阶，室温下：1阶520 cm-1，2阶920～1 000 cm-1，3阶～1 440 cm-1，4阶～1 930 cm-1. 此外测试3阶或4阶峰时，通常存在空气造成的2个干扰峰：O2～1 550 cm-1，N2～2 330 cm-1. Si和单层石墨烯的变温拉曼光谱如图9所示，实验中入射激光为532 nm，入射样品的光功率为～5 mW. 随温度升高，Si和石墨烯的特征峰向低波数移动(如图10所示)，Si的拉曼峰的温度关系显示出一定的非线性，与文献[26]报道结果一致. 石墨烯的温度关系与晶格热膨胀和3声子过程、4声子过程有关[27]，同时由于衬底和石墨烯的热膨胀系数差异还会引入应力的影响. 实验测得G峰的温度系数约-0.017 cm-1/K，2D峰的温度系数约-0.030 cm-1/K，与文献[25]报道结果基本一致. MoS2的变温拉曼谱如图11所示，其光谱各峰位随温度变化的关系如图12所示，入射激光为532 nm，实验测得E′峰的温度系数约(-0.008±0.003) cm-1/K，A1′峰的温度系数约(-0.019±0.005) cm-1/K，该结果与文献[28]报道结果基本一致，其误差较大的原因与MoS2的光谱强度较弱有关，测试环节可进一步优化.

图9 Si和单层石墨烯的变温拉曼光谱

图10 Si和单层石墨烯光谱各峰位随温度的变化

图11 Si和单层MoS2的变温拉曼光谱

图12 Si和单层MoS2光谱各峰位随温度的变化

3.3 石墨烯的拉曼光谱扫描成像

图13 石墨烯样品的光学显微镜图

图14 石墨烯样品的AFM图

图15 石墨烯G峰的拉曼光谱扫描成像(64×64)

图16 石墨烯2D峰的拉曼光谱扫描成像(64×64)

对于超薄材料或微结构材料，样品的不同位置通常具有不同的结构，扫描成像功能可以视为对少数点扫描以及线扫描的升级. 拉曼光谱扫描成像是一种具有空间分辨能力的扫描方式[8,29]，扫描过程要求激光的入射光斑(～1 μm)尽可能聚焦到样品上，网格逐点扫描可以获得一定扫描范围内样品的光谱信息，受限于激光光斑大小，一般认为其空间分辨率约为μm尺度. 扫描网格密度决定扫描时间，根据扫描范围大小选取合适的网格密度，扫描时光栅一般不动，因此如果扫描光谱范围较大，可以选取低划痕密度的光栅(如600 g/mm)或对不同光谱范围分多次扫描. 如图13～14所示，对石墨烯样品进行拉曼光谱扫描成像测试，入射激光为488 nm，扫描范围是50 μm×50 μm，图15和16分别为石墨烯G峰和2D峰的扫描成像结果，其为64×64格点图，通过二者强度比IG/I2D可以初步判断石墨烯的原子层数，其中2块大的区域为Si衬底上的单层石墨烯(SL-G)，对于单层石墨烯的边缘，图15中较亮的区域为多层石墨烯，并且在2块大的石墨烯区域之间存在1个石墨烯条带，该结果与AFM结果基本一致，AFM表面粗糙度(RMS)约为12 nm，这与扫描范围大以及样品表面杂质的影响有一定关系. 通过扫描成像测试可以直观展示扫描区域的光谱信息，区别不同材料、厚度、应力等性质.

4 结束语

介绍了拉曼散射的基本原理和拉曼光谱技术，对石墨烯和MoS2的拉曼峰的类型进行了系统的介绍，针对当前商用拉曼光谱仪的部分问题，自主研制了变温拉曼光谱系统、拉曼光谱扫描成像系统以及光电综合测试系统. 通过对典型二维材料的拉曼光谱研究，测得了相应的温度系数. 由于拉曼光谱对二维材料的层数、应力、温度等条件响应很灵敏，研究其变化规律为进一步开展物理实验教学和相关科学研究打下良好的基础，发挥更大的作用.

致谢：感谢北京大学信息学院傅云义教授提供的测试样品.