TERS исследование графена

Графен наблюдается с нанометровым разрешением

Графен известен своей безщелевой структурой полос, называемые конусами Дирака. Эта уникальная зонная структура заставляет электроны вести себя как безмассовые дираковские фермионы и придает графену некоторые особые свойства, такие как необычайно высокая подвижность и баллистическое перемещение. Эти необычные свойства делают графен идеальным материалом для наноэлектроники, например, для тонкопленочных транзисторов, прозрачных и проводящих композитов и электродов, гибкой и печатной электроники [1].

Электронные свойства этой наноэлектроники сильно зависят от целостности разработанного графенового листа. Любое изменение его внутренней структуры, такое как локальное напряжение, дефект или загрязняющие вещества, приведет к изменению электронных свойств и приведет к появлению необходимых свойств или неожиданному дефекту.

Рамановская спектроскопия с усиленным зондом (TERS) способна преодолеть дифракционный предел и получить рамановское изображение с разрешением ~10 нанометров [2] - [4]. На рисунках ниже показаны TERS-изображения с соотношением 2D/G, 2D-полосой, G-полосой и D-полосой графена. Для сравнения, внизу показано АСМ изображение. На изображении по соотношению 2D/G указано разными цветами отличие однослойного, скученного (поясняется ниже) и многослойного графена. Изображения в 2D-полосе и G-полосе также указывают на разницу слоев. На краях листа графена присутствует волнистость, а изображение D-полосы отчетливо указывает на дефекты и локальную деформацию, соответственно. Такие детали краев и волнистость листа подтверждаются АСМ изображением.

Наиболее важной особенностью рамановского микроскопа с усиленным наконечником TERSsense, изготовленного компанией Nanophoton, является запатентованный 100% протестированный зонд, который имеет гарантированную производительность. Нет необходимости помещать образец между зондом и подложкой с металлическим покрытием (режим с зазором), поскольку только зонд обеспечивает высокий эффект усиления и воспроизводимость. Поскольку в TERSsense используется конфигурация устройства передающего типа, можно использовать объектив с высокой числовой апертурой NA 1.4 и проводить сверхчувствительные измерения.

Рамановский спектр скрученного графена

Несколько новых феноменов появляются, когда два слоя графена накладываются с несовпадающим углом поворота. Такой наложенный двухслойный графен назван скрученным графеном или витым двухслойным графеном [5]. Он проявляет очень похожие характеристики монослоя в спектре комбинационного рассеяния, но сильно отличается от двухслойного графена. Скрученный двухслойный графен демонстрирует относительно большой синий сдвиг и широкую ширину в 2D-полосе по сравнению с монослойным графеном и его интенсивность иногда бывает высокой, а иногда низкой. Тем временем, небольшое красное смещение происходит в G-полосе. Все эти явления зависят от несовпадающего угла поворота. Причина в том, что несовпадающий угол поворота добавляет новую степень свободы графеновой системе, модифицируя электронную структуру [6]. На рисунках ниже показаны изображения TERS с 2D-сдвигом, 2D-шириной и G-сдвигом

TERS-изображения 2D-сдвига, 2D-ширины и G-сдвига.

Кроме того, несовпадающее вращение приводит к появлению новой функции комбинационного рассеяния, называемой R’ пиком (R означает вращение). R’ пик можно рассматривать как доказательство закрученного двуслойного графена. Это также зависит от угла поворота [7]. На рисунке ниже показано TERS изображение R’ пика, показывающее скрученный двухслойный графеновый домен.

TERS изображение распределения интенсивности R’ пика.

Литература:
[1]Ferrari, A. C. & Basko, D. M. Raman spectroscopy as a versatile tool for studying the properties of graphene. Nat. Nanotechnol. 8, 235–46 (2013).
[2]Verma, P., Ichimura, T., Yano, T., Saito, Y. & Kawata, S. Nano-imaging through tip-enhanced Raman spectroscopy: Stepping beyond the classical limits. Laser Photon. Rev. 4, 548–561 (2009).
[3]Yano, T. et al. Tip-enhanced nano-Raman analytical imaging of locally induced strain distribution in carbon nanotubes. Nat. Commun. 4, 2592 (2013).
[4]Chen, C., Hayazawa, N. & Kawata, S. A 1.7nm resolution chemical analysis of carbon nanotubes by tip-enhanced Raman imaging in the ambient. Nat. Commun. 5, 3312 (2014).
[5] Kim, K. et al. Raman spectroscopy study of rotated double-layer graphene: Misorientation-angle dependence of electronic structure. Phys. Rev. Lett. 108, 1–6 (2012).
[6]Jorio, A. & Can?ado, L. G. Raman spectroscopy of twisted bilayer graphene. Solid State Commun. 175-176, 3–12 (2013).
[7]Carozo, V. et al. Raman signature of graphene superlattices. Nano Lett. 11, 4527–4534 (2011).