在石墨烯結(jié)構(gòu)表征技術(shù)的研究中，對石墨烯的層數(shù)表征是其中尤為重要的一個方向。根據(jù)石墨烯層數(shù)的不同，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化。通常認(rèn)為，只有層數(shù)在10層以下的石墨才可以看作是二維結(jié)構(gòu)，冠以石墨烯的稱謂。

其中，單層石墨烯為零帶隙半導(dǎo)體，能帶結(jié)構(gòu)相對簡單，價帶與導(dǎo)帶在Ｋ和Ｋ處交于一點，附近載流子滿足線性色散關(guān)系。雙層石墨烯雖然仍是零帶隙半導(dǎo)體，但電子能量與動量之間不再表現(xiàn)出線性關(guān)系。而對于三層或更多層的石墨烯，其能帶結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜，價帶與導(dǎo)帶開始出現(xiàn)明顯的交疊。據(jù)粉體網(wǎng)小編了解，石墨烯的性能與層數(shù)密切有關(guān)，不同層數(shù)的石墨烯具有不同的物理、化學(xué)和機械性能。因此，對石墨烯層數(shù)的準(zhǔn)確表征是一項重要的工作。表征石墨烯的層數(shù)可以采取的手段有TEM、RAMAN、AFM、光學(xué)顯微鏡和STM等。

透射電鏡（TEM）

采用透射電鏡，可以借助石墨烯邊緣或褶皺處的高分辨電子顯微像來估計石墨烯片的層數(shù)和尺寸，如圖１所示。據(jù)粉體網(wǎng)小編了解，這種方式比較簡單快速，但是只能用來估算，無法對石墨烯的層數(shù)給予精確判斷。若結(jié)合電子衍射（ED）或低能電子損失譜（EELS），則可對石墨烯的層數(shù)做出比較準(zhǔn)確的判斷。

拉曼光譜（RAMAN）

利用光的散射效應(yīng)對石墨烯的層數(shù)進(jìn)行表征的方法。利用拉曼光譜可以鑒別出單層、雙層、多層石墨烯和塊體石墨間的區(qū)別。圖2（a）為石墨烯與石墨的拉曼光譜對比圖（激光波長：488nm）。可以看出，對于位于1580cm-1左右的G峰和位于2700cm-1左右的2D峰來說，兩者在強度、峰位和峰形上均有所不同。而對于具有不同層數(shù)的石墨烯來說，可以通過2D峰的峰形、峰位，以及2D峰與G峰的強度比，來很好地區(qū)分層數(shù)在5層以下的石墨烯，如圖2（b）所示。可歸納出單層石墨烯拉曼光譜的三個特點：（1）2D峰為單峰；（2）2D峰的強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于G峰；（3）2D峰的峰位相對于其它層數(shù)石墨烯及塊體石墨向左偏移。

原子力顯微鏡（AFM）

通過針尖在石墨烯表面的掃描，根據(jù)石墨烯形貌的厚度變化來獲得石墨烯的層數(shù)。被認(rèn)為是表征石墨烯片層結(jié)構(gòu)的最有力、最直接有效的工具之一。它可以清晰地反映出石墨烯片的大小、厚度等信息。但由于石墨烯表面存在有吸附物，以及石墨烯與基底的相互作用等因素的影響，所測得厚度比實際厚度大。因此，一般情況下，需要采用光學(xué)顯微鏡配合AFM來準(zhǔn)確判定石墨烯層數(shù)。

光學(xué)顯微鏡（OM）

主要原理是首先將石墨烯轉(zhuǎn)移到表面有一定厚度氧化層（SiO2）的硅片上；當(dāng)氧化層的厚度滿足一定條件時，在光學(xué)顯微鏡的觀察過程中，由于光路衍射和干涉效應(yīng)，從而導(dǎo)致不同層數(shù)的石墨烯會顯示出特有的顏色和對比度，如圖3所示。據(jù)粉體網(wǎng)小編了解，目前經(jīng)過大量的實踐表明，該方法已成為一種比較成熟的，能從宏觀上確定石墨烯層數(shù)的一種表征方法。

其它表征手段

Luican等通過STM觀察到附著于HOPG上的三層石墨烯。掃描隧道顯微鏡（STM）是較早被用來表征石墨烯結(jié)構(gòu)的儀器之一。Hibino等研究表明，采用低能電子顯微鏡（LEEM）也能區(qū)分出不同厚度的石墨烯。通過分析石墨烯與SiC襯底表面反射的量子振動譜可以得到不同厚度的石墨烯,從而判斷其層數(shù)。此外，Boese等報道了一種采用等離子能量損失圖快速表征石墨烯層數(shù)的方法，并且指明該方法的精確度可以達(dá)到單原子層。

小結(jié)：

雖然上述方法均可在一定程度上表征石墨烯的層數(shù)，但是每種方法均有其局限性。另外，石墨烯層數(shù)的表征結(jié)果也會隨石墨烯制備工藝的不同而不同。因此，有關(guān)石墨烯的精確表征仍需進(jìn)一步完善。在選擇表征方法的時候可以因地制宜，選擇合適的方法或者多種表征手段相結(jié)合，以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。