一種探測(cè)石墨烯熱漲落的有力手段

石墨烯自從被發(fā)現(xiàn)依賴其獨(dú)特的力學(xué)，電學(xué)，熱學(xué)等性質(zhì)依然受到了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。石墨烯泡，作為一種石墨烯的延伸結(jié)構(gòu)，也是引起了人們濃厚的興趣。人們通過(guò)各種方法來(lái)制備得到各種尺寸、形狀的石墨烯泡。不過(guò)到目前為止，石墨烯泡額大小也就是幾微米。因此人們對(duì)其相關(guān)性質(zhì)的研究也就受到了其尺寸的限制。

韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院低維碳材料中心的黃元博士（現(xiàn)已回中科院物理所工作）和王曉博士及其合作者通過(guò)用新型機(jī)械解理方法首次制備了超大的石墨烯泡。這種泡最大可以達(dá)到20μm，并不失穩(wěn)定性。更為重要的是，通過(guò)制備出這種超大的石墨烯泡，很多隱藏在背后的專屬的的奇特的物理現(xiàn)象才逐漸浮出水面。

在光學(xué)顯微鏡下，這種超大石墨烯泡可以展示出彩虹版的顏色，這種牛頓環(huán)一樣的結(jié)果，也是首次在石墨烯泡的結(jié)構(gòu)中被報(bào)道。這是由于在石墨烯泡和在基底上產(chǎn)生的兩次反射所產(chǎn)生的光程差引起的。而且只有泡足夠大，光程差才有可能滿足 Δd = nλ，從而干涉增強(qiáng)產(chǎn)生牛頓環(huán)。

圖1. 石墨烯氣泡的示意圖及光學(xué)顯微鏡照片

不過(guò)，這種石墨烯泡結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的奇特性質(zhì)遠(yuǎn)不止這些。通過(guò)拉曼二維成像的方法，他們發(fā)現(xiàn)了石墨烯氣泡上，無(wú)論是G峰還是2D峰的強(qiáng)度和波數(shù)都呈現(xiàn)出明顯的震蕩行為。這是由于當(dāng)激光穿過(guò)石墨烯氣泡后，在基底上反射的光和入射光會(huì)形成波的疊加，產(chǎn)生駐波，進(jìn)而導(dǎo)致在垂直基底的方向上存在振幅的極大值和極小值點(diǎn)。這種由于光的干涉導(dǎo)致的震蕩會(huì)通過(guò)熱效應(yīng)反映到石墨烯氣泡上，而拉曼光譜對(duì)于石墨烯的熱效應(yīng)非常敏感，因此可以作為一種探測(cè)石墨烯熱漲落的有力手段。

圖2. 石墨烯氣泡的二維拉曼成像及中心截面的G峰峰位譜。

石墨烯的氣泡結(jié)構(gòu)可以為研究石墨烯的多種性質(zhì)提供一個(gè)簡(jiǎn)單而重要的模型，通過(guò)測(cè)量石墨烯的氣泡中的一些直接參數(shù)，可以準(zhǔn)確的分析石墨烯的各種性質(zhì)，比如熱導(dǎo)率，和基底之間的相互作用能，楊氏模量等重要信息。該工作提出了一種制備石墨烯和其他層狀材料氣泡的方法，并且首次在石墨烯氣泡上觀察到拉曼震蕩，同時(shí)還通過(guò)拉曼光譜的移動(dòng)精確的計(jì)算出了石墨烯的熱導(dǎo)率，為研究石墨烯及其他二維材料的許多性質(zhì)提供了新的思路，未來(lái)通過(guò)氣泡結(jié)構(gòu)可以觀測(cè)更多的二維材料的性質(zhì)。

該工作發(fā)表在2018年5月3日的Physical Review Letters上《Raman Spectral Band Oscillations in Large Graphene Bubbles》，DOI： 10.1103/PhysRevLett.120.186104。第一作者黃元博士目前為中科院物理所副研究員，通訊作者為韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院低維碳材料中心主任Rodney S. Ruoff教授。