科學家在石墨烯氣泡中發現拉曼震蕩環

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摘 要

石墨烯自從被發現依賴其獨特的力學，電學，熱學等性質依然受到了科學家們的廣泛關注。石墨烯泡，作為一種石墨烯的延伸結構，也是引起了人們濃厚的興趣。人們通過各種方法來製備得到各種尺寸、形狀的石墨烯泡。不過到目前為止，石墨烯泡額大小也就是幾微米。因此人們對其相關性質的研究也就受到了其尺寸的限制。

韓國基礎科學研究院低維碳材料中心的黃元博士（現已回中科院物理所工作）和王曉博士及其合作者通過用新型機械解理方法首次製備了超大的石墨烯泡。這種泡最大可以達到20μm，並不失穩定性。更為重要的是，通過製備出這種超大的石墨烯泡，很多隱藏在背後的專屬的的奇特的物理現象才逐漸浮出水面。

在光學顯微鏡下，這種超大石墨烯泡可以展示出彩虹版的顏色，這種牛頓環一樣的結果，也是首次在石墨烯泡的結構中被報道。這是由於在石墨烯泡和在基底上產生的兩次反射所產生的光程差引起的。而且只有泡足夠大，光程差才有可能滿足 Δd = nλ，從而干涉增強產生牛頓環。

圖1. 石墨烯氣泡的示意圖及光學顯微鏡照片

不過，這種石墨烯泡結構所表現的奇特性質遠不止這些。通過拉曼二維成像的方法，他們發現了石墨烯氣泡上，無論是G峰還是2D峰的強度和波數都呈現出明顯的震蕩行為。這是由於當激光穿過石墨烯氣泡後，在基底上反射的光和入射光會形成波的疊加，產生駐波，進而導致在垂直基底的方向上存在振幅的極大值和極小值點。這種由於光的干涉導致的震蕩會通過熱效應反映到石墨烯氣泡上，而拉曼光譜對於石墨烯的熱效應非常敏感，因此可以作為一種探測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。

石墨烯的氣泡結構可以為研究石墨烯的多種性質提供一個簡單而重要的模型，通過測量石墨烯的氣泡中的一些直接參數，可以準確的分析石墨烯的各種性質，比如熱導率，和基底之間的相互作用能，楊氏模量等重要信息。該工作提出了一種製備石墨烯和其他層狀材料氣泡的方法，並且首次在石墨烯氣泡上觀察到拉曼震蕩，同時還通過拉曼光譜的移動精確的計算出了石墨烯的熱導率，為研究石墨烯及其他二維材料的許多性質提供了新的思路，未來通過氣泡結構可以觀測更多的二維材料的性質。

該工作發表在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，通訊作者為韓國基礎科學研究院低維碳材料中心主任Rodney S. Ruoff教授。

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