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【科研干货】拉曼光谱（Raman）技术测定MoS2层数的两种方法

来源：科学10分钟时间：2022-10-20 13:36:20 浏览：3987次

拉曼光谱

众所周知，拉曼光谱是物质结构的指纹光谱，它可以为我们提供的信息包括：化学结构和组分鉴别；材料的相、形态以及晶型；应力；污染物和杂质等，因此拉曼光谱仪已经成为分子光谱领域发展最快的一类仪器。

今天我们要和您说的是运用拉曼光谱技术测定二硫化钼层数的两种方法：分析指纹峰位移和低波数振动模式，获得层数信息。两种方法都可以得到层数信息，各有优势，相互补充，学会这两种方法结合，可以获得最好的结果。

实验设备：拉曼光谱仪

所有的测量（低波数和指纹特征峰）都使用超低波数附件ULFTM完成。超低波数附件，具有高光通量，同时获得斯托克斯和反斯托克斯信号，可测低至10 cm^-1的拉曼信号。

二硫化钼二维层状材料

近年来，随着实验技术的进步，人类可以制备出厚度仅为一层原子的二维材料。这些新颖的二维层状材料不仅极大的拓宽了人类对材料领域的认识，而且还具有常规材料难以匹敌的独特性质，因此日益受到人们的重视。例如石墨烯，二硫化钼（MoS₂）都是二维层状材料的典型。MoS₂凭借着其优异的光学、力学、电学和热学性质已被认为极具发展潜力，譬如在固体润滑剂、加氢脱硫催化剂、超级电容器及光电子器件等领域都可能有潜在的应用。然而，对于MoS₂器件研究来说，其层数对其特性的影响至关重要，那么测定其层数的方法有哪些？

拉曼光谱技术测定的两种方法

如很多的层状材料一样，MoS₂具有两种振动模式：层内振动模式（intralayer）和源于整个层移动的层间振动模式。层内振动模式主要是与一层或多层的化学组成相关，是材料的主要指纹信息来源。这些指纹信息会因层数不同而有细微变化。同时，整层的质量巨大，层间的振动模式会出现在低波数附近，并与层数相关。综上，层内和层间两种振动模式都可以用来鉴定材料的层数。

Fig. 1 MoS₂样品的白光照片，

蓝色矩形框内对应的是拉曼成像区域。

Fig. 1中展示的是本文研究的MoS₂样品的白光照片（courtesy of A. Shukla IMPMC,Pierre and Marie Curie University, France）。该样品已经在引文[1]中研究过。

方法一：

分析指纹振动模式，获得层数信息

MoS₂的层数由两个指纹峰之间的位置距离决定，即在大块MoS₂样品中出现的383cm^-1和408cm^-1[2]峰位。随着层数的增多，383cm^-1处指纹峰向低波数方向移动，408cm^-1处指纹峰向高波数移动（Fig. 2b）。通过拉曼光谱成像，获得MoS₂层数分布信息，如图Fig. 2a。

具体操作方法是：首先对峰进行拟合找到准确的峰位，然后对两个峰位的距离进行计算和成像。当层数大于4层的时候，两个峰之间的距离趋近于宏观大块样品数值，将导致用这种方法区分层数越来越困难。

Fig. 2a 基于指纹振动信息得到的不同层数 MoS₂ 的拉曼成像图。

Fig.2b: MoS₂指纹区的拉曼光谱

方法二：

分析低波数振动模式，获得层数信息（interlayer）

在低波数区域，不同层数MoS₂ 具有各自的拉曼特征峰。如Fig. 3b所示，通过不同的拉曼峰对多层的MoS₂进行拉曼成像。使用光标夹住特征峰，利用峰强进行拉曼成像很好的解决这个问题。在这项研究中，CLS法成像可以提供更好的对比度。

层间振动模式主要出现在35cm^-1以下。在这个分析中，主要用了剪切模式，在这个范围里出现的其它的峰对应于二次剪切模式或压缩模式，这些信息可以确定层数。对应的频率可以预测某层的重量和剪切强度。更多的细节可以参考文献[1]和[3]。

Fig. 3a 基于低波数信息得到的不同层数MoS₂的拉曼成像图。

Fig.3b: MoS₂在低波数区域的拉曼光谱

专家结论

以上两种方法都能确定MoS₂的层数，两者可以互补。方法1，使用指纹振动峰信息，显示所有层数，但对比度较差，尤其是层数较多的情况下。方法2，使用低波数振动模式，不同层之间的对比度明显，但是不显示单层的信息（其主要和模式性质有关，来源于至少两层之间产生的相互作用）。

想要获得最好的结果，可以将两种方法联合起来使用，Fig. 4.是结合两种方法获得最佳的MoS₂层数的拉曼成像。

Fig. 4. 结合两种方法获得的MoS₂层数的拉曼成像

参考文献

1. M.Boukhicha at al., Phys. Rev.B87(2013)195316.

2. H.Li at al.,Adv, Funct, Mater, 22(2012)1385.

3. F.Bonaccorso at al.,ACSNano 7(2013) 1838.

4. H.Zeng at al., Phys, Rev, B86(2012)241301.

5. X.Zang at al.,Phys.Rev.B87(2013)115413.

6.C.Lee at al., ACS Nano4(2010) 269.

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