13石墨烯材料 层数的检测方法 原子力学显微镜法、拉曼光谱法、透射电子显微镜法

A 20

江苏省石墨烯检测技术重点实验室标准

Q/JSGL 013—2014

石墨烯材料层数的检测方法原子力学显微镜法、拉曼光谱法、透射电子显微镜法

Graphene materials Test method for determination of layers by atomic force microscopy、Raman spectroscopy、transmission electron microscopy

2014-08-20发布2014-10-01实施前言

本标准遵循GB/T 1.1—2009《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》的规则。

本标准由江苏省石墨烯检测技术重点实验室提出。

本标准负责起草的单位：江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院。

本标准主要起草人：孙小伟、杨永强、王伟娜、金玲、孟若愚、高良、王群、魏斌、刘渊。本标准为首次发布。

石墨烯材料层数的检测方法原子力学显微镜法、拉曼光谱法、

透射电子显微镜法

1 范围

本标准规定了检测石墨烯材料层数的方法原理、仪器、样品制备、测试步骤、图像与结果分析。

本标准适用于采用原子力学显微镜（AFM）、拉曼光谱（Raman）和透射电子显微镜（TEM）及其相结合的技术测量石墨烯材料层数。

2 方法原理

利用原子力学显微镜、拉曼光谱仪、透射电子显微镜检测原理，分别通过检测原子力学显微镜探针与样品表面的相互作用力获得的石墨烯材料样品高度、激光与不同状态石墨烯材料相互作用产生的不同特征拉曼峰、高分辨电子显微镜在石墨烯材料边缘或褶皱处放大几十万倍至上百万倍的图像等方法获得石墨烯材料样品的形貌和微观结构，做出对石墨烯材料样品层数检测的柱状图数据统计。

3 仪器

3.1 透射电子显微镜：点分辨率高于0.3 nm，工作电压80 kV～200 kV。

3.2 原子力学显微镜：纵向分辨率必须接近或优于0.1 nm，足以分辨0.3 nm 的台阶高度。

3.3 激光拉曼光谱仪：包括主机、显微镜、激光光源、样品基底（包括硅片、平面玻璃、银基底平面）、滤光系统、光波处理系统和检测器等部件。

3.4 超声波清洗器：超声功率30 W～150 W，超声频率30 kHz～70 kHz。

3.5 玻璃干燥器：内置硅胶干燥剂。

4 样品制备

4.1 选样

选取具有代表性的样品不少于2 mg（液体样品按石墨烯材料固含量折算量取）。

4.2 样品制备

4.2.1 透射电子显微镜样品制备

a)将液体样品或固体粉末样品按石墨烯材料固含量浓度为1 mg/mL分散于乙醇中，用手摇匀后

超声分散10 min，再稀释100倍，获得宏观分散均匀的悬浊液。短时间、高强度的超声分散

是比较合理有效的，如透射电子显微镜观察发现无法获得分散良好的视野，则可延长超声分

散时间；b)超声分散后立即采用洁净的滴管，将得到的悬浊液滴加1滴于透射电子显微镜专用的微栅或

铜网表面。取样及制样过程应尽可能避免样品偏析，不能待悬浊液静置发生明显沉降后再吸

取上层液体滴至微栅表面；

c)待溶剂挥发后，将制好的样品放入透射电子显微镜微栅或铜网专用的样品盒，保存在干燥器

里待用。

4.2.2 原子力学显微镜样品制备

a)将液体样品或固体粉末样品按石墨烯材料固含量浓度为1 mg/mL分散于乙醇中，用手摇匀后

超声分散10 min，再稀释100倍，获得宏观分散均匀的悬浊液。短时间、高强度的超声分散

是比较合理有效的，如原子力学显微镜观察发现无法获得分散良好的视野，则可延长超声分

散时间；

b)超声分散后立即采用洁净的滴管，将得到的悬浊液滴加1滴于新鲜解离的云母表面或洁净的

硅片表面；

c)待溶剂挥发后，将制好的样品放入专用的样品盒，保存在干燥器里待用。

4.2.3 拉曼光谱样品制备

a)将直接生长于基底表面或已转移至一定基底表面的固态石墨烯材料样品，取不小于 1 cm×1

cm的平面，即可待测；

b)将液体样品或固体粉末样品按石墨烯材料固含量浓度为0.5 mg/mL超声分散于水或乙醇中后，

用手摇匀后超声分散10 min～30 min，获得宏观分散均匀的悬浊液，再用水或乙醇稀释10

倍。短时间、高强度的超声分散是比较合理有效的，如显微镜观察发现无法获得分散良好的

视野，则可延长超声分散时间；

c)超声分散后立即采用洁净的滴管，将得到的悬浊液滴加1滴至2滴于洁净的硅片表面或玻璃

片等洁净平整的不影响拉曼分析仪观测的表面；

d)待溶剂挥发后，将制好的样品放入专用的样品盒，保存在干燥器里待用。

5 测试步骤

5.1 透射电子显微镜检测

5.1.1 开机预热，调整参数，使仪器达到测试要求。

5.1.2 将载有样品的微栅或铜网装入透射电子显微镜的样品杆并放入电镜。

5.1.3 在低位（5万倍左右）下观察样品的分布情况，如发现绝大多数样品已团聚形式紧密堆积，则重新对样品进行分散与制样。

5.1.4 依据样品情况选择适宜的放大倍数，以便能清楚观察到石墨烯二维片状结构。

5.1.5 选择具有代表性的有效视场（可识别石墨烯二维材料数量的比例超过80%）拍摄不少于10张TEM图像，对可视石墨烯样品进行形貌与边缘及其褶皱处的高分辨分析与结果记录。要求其中可辨别为石墨烯、石墨超薄片（由2～10层石墨烯组成）或其他碳材料的总数满足测量要求（不少于25）。如不能获得满足要求的有效视场数，或不能达到测试总数的要求，需重新对样品进行分散，并重新测试。如三次分散及制样测试仍不能获得满足要求的有效视场数，则判定本标准不适用于该石墨烯样品的层数判定。

5.1.6 结合样品形貌与边缘及其褶皱处的高分辨分析结果进行数据统计，要求高分辨条纹间距相对偏差在±0.1 nm内。

5.2 原子力学显微镜检测

5.2.1 开机预热，调整参数，使仪器达到测试要求。

5.2.2 将载有样品的样品台置入测试仪器。

5.2.3 调整探针并选择样品测试有效区域。

5.2.4 选择具有代表性的有效视场（可识别石墨烯二维材料数量的比例超过80%）拍摄不少于5～10张原子力学显微镜图像，对可视石墨烯样品进行形貌与高度数据分析与记录。要求其中可测量高度的石墨烯总数满足测量要求（不少于25～50）。如不能获得满足要求的有效视场数，或不能达到测试总数的要求，需重新对样品进行分散，并重新测试。如三次分散及制样测试仍不能获得满足要求的有效视场数，则判定本标准不适用于该石墨烯样品的层数判定；

5.2.5 对高度数据进行统计，要求高度相对偏差在±0.4 nm内。

5.3 Raman光谱检测

5.3.1 开机预热，选择激光波长、调整参数，使仪器达到测试要求。

5.3.2 参数设定。

5.3.3 通过显微镜选择测试区域。

5.3.4 在（1000～3000） cm-1范围内测试，并记录结果。

6 图像与结果分析

6.1 透射电子显微镜图像与结果分析

对同一石墨烯材料样品的全部透射电子显微镜图像进行分析，利用石墨烯材料边缘与褶皱处的局部高分辨进行层间距的测量与数据记录。对所得数据进行柱状图统计分析。

6.2 原子力学显微镜图像与结果分析

对原子力学显微镜图像中所包含的有效样品进行测量分析，用仪器自带软件将图像中可识别清晰轮廓的全部样品高度数据记录。对所得数据进行柱状图统计分析。

6.3 拉曼光谱的结果分析

针对石墨烯样品不同区域面扫描与不同位置的选点扫描得到的拉曼光谱，根据其所得G峰强度、G 峰与G´峰的强度比，以及G´峰的峰型对石墨烯层数进行分析。对所得数据进行柱状图统计。

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