2024納米技術(shù) 拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片的層數(shù)

納米技術(shù)拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片的層數(shù)目 次前言 3引言 4范圍 5規(guī)性用件 5術(shù)和義 5樣準(zhǔn)備 8基剪模呼模峰位量硫鉬片數(shù)的曼譜（A9基E1模A1g模峰差量二化薄層的曼光法（B法） 于SiO2/Si襯的曼模高量硫鉬片層的曼譜（C法） 13測(cè)報(bào)告 15附錄ABC)))拉光譜測(cè)二化薄層數(shù)各方概一表 17典拉曼的譜數(shù)意圖 18基于剪切模和呼吸模的峰位測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的拉曼光譜法（A法）的表實(shí)例 19附錄D(資料性)基于E1模和A1g模的峰位差測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的拉曼光譜法（B法）2g的表實(shí)例 21附錄E(資料性)基于SiO2/Si襯底的硅拉曼模峰高測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的拉曼光譜法（C法）的表實(shí)例 23附錄F(資料性)基于SiO2/Si襯底的硅拉曼模峰高測(cè)量MoS2薄片層數(shù)的拉曼光譜法（C法）的I2D(Si)/I0(Si)理論計(jì)果(532nm激光) 25附錄G(資料性)測(cè)報(bào)告例 26參考獻(xiàn) 27納米技術(shù)拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片的層數(shù)訓(xùn)。范圍本文件規(guī)定了使用拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片的層數(shù)的方法。22H（CVDchemicalvapor2H注1：測(cè)量二硫化鉬薄片的層數(shù)時(shí)，可單獨(dú)或者綜合幾種方法聯(lián)合測(cè)量并相互驗(yàn)證。????25（A法6????模和??????模（B）7SiO2/Si法）A????下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文（GB/T30544.13納米科技術(shù)語第13部分：石墨烯及相關(guān)二維材料GB/T31225橢圓偏振儀測(cè)量硅表面上二氧化硅薄層厚度的方法GB/T33252納米技術(shù)激光共聚焦顯微拉曼光譜儀性能測(cè)試GB/T40069 JJF1544拉曼光譜儀校準(zhǔn)規(guī)范GB/T30544.13、GB/T33252、GB/T40069界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1.1單層二硫化鉬monolayermolybdenumdisulfide；1L-MoS2MoS2SMoSMoMo6S,S3Mo,,MoS20.65nmS2H1T152H型MoS2原子結(jié)構(gòu)示意圖 (b)1T型MoS2原子結(jié)構(gòu)示意圖(c)單層2H-MoS2的三維原子示意圖(d)單層2H-MoS2的原子結(jié)構(gòu)俯視示意圖圖1單層二硫化鉬（1L-MoS2）結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2多層二硫化鉬multilayermolybdenumdisulfide；ML-MoS2MoS2MoS2MoS22H-MoS2、3R-MoS2,如22H-MoS23R-MoS2圖2不同堆垛方式的多層二硫化鉬2H-MoS2、3R-MoS2和1T-MoS2原子結(jié)構(gòu)示意圖3.1.32H堆垛2Hstacking相鄰二硫化鉬層中上層的Mo原子和S原子分別與下層的S原子和Mo原子對(duì)齊的堆疊方式。具有2H堆垛的ML-MoS2具有六角對(duì)稱性，兩個(gè)(S-Mo-S)三棱柱結(jié)構(gòu)為一個(gè)重復(fù)單元。注：2H堆垛是多層MoS2最為常見的堆垛方式。3.1.4層數(shù)numberoflayers〈二維材料〉構(gòu)成二維材料的層的數(shù)目。[來源：GB/T40069—2021，3.1.3]3.2.1拉曼光譜Ramanspectrum當(dāng)物質(zhì)受到單色輻射能照射時(shí)，由于非彈性散射產(chǎn)生的已調(diào)制頻移的光譜。注1：非彈性散射指受到介質(zhì)的旋轉(zhuǎn)激發(fā)、振動(dòng)激發(fā)或聲子激發(fā)。注2：調(diào)制頻移指單色輻射光子的能量損失或者增益。[來源：GB/T33252-2016,2.1]3.2.2拉曼峰Ramanpeak;Ramanmode;Ramanband拉曼光譜中具有一定形狀的譜峰。注1：每種散射介質(zhì)都有其特定的拉曼峰。注2：包括峰位、峰高、峰面積、峰寬和線型等光譜特征，參見附錄B的圖B.1。[來源：GB/T40069-2021,3.2.2]3.2.3峰高peakheight;peakmaximum拉曼峰的最高點(diǎn)與基線之間的垂直距離。[來源：GB/T40069-2021,3.2.3]3.2.4峰面積peakarea峰強(qiáng)peakintensity拉曼峰與基線包圍的面積。[來源：GB/T40069-2021,3.2.4]3.2.5峰位peakposition入射單色光與拉曼峰最高點(diǎn)位置之間的波數(shù)差值。注：也稱為拉曼頻移，單位為波數(shù)(cm-1)。[來源：GB/T40069-2021,3.2.5]73.2.6峰寬peakwidth拉曼峰兩側(cè)位于1/2峰高處之間的頻移差。注：又稱為半高全寬（FullWidthatHalfMaximum，F(xiàn)WHM）。[來源：GB/T40069-2021,3.2.6]3.2.7??′、????????模??′、????and???? mode?? ???? ?? ????同一層MoS2內(nèi)Mo原子與相鄰兩S原子沿層平面方向上做相對(duì)振動(dòng)，且在ML-MoS2中，相鄰兩MoS2SMoS2??′??1和??1??1模表示。??3.2.8

2??

2????′、??????????模 ??′、???? and??????mode?? ???? ?? ????同一層MoS2內(nèi)的兩S原子沿層法線方向做相對(duì)振動(dòng)，而Mo原子保持不動(dòng)，且在ML-MoS2中，MoS2SMoS2????2和??1????1??1 1??3.2.9低頻拉曼模low-frequencyRamanmode拉曼峰位位于0~50波數(shù)（cm-1）以內(nèi)的拉曼模。3.2.10呼吸模layerbreathingmode;LBmode表征ML-MoS2的層與層之間沿層法線方向準(zhǔn)剛性移動(dòng)的低頻特征拉曼模，其拉曼峰位由ML-MoS2的層間呼吸力常數(shù)和層數(shù)決定。注：在1L-MoS2材料中，不存在LB模。3.2.11剪切模shearmode;Smode表征ML-MoS2的層與層之間在層平面方向準(zhǔn)剛性移動(dòng)的低頻特征拉曼模，其拉曼峰位由ML-MoS2的層間剪切力常數(shù)和層數(shù)決定。注：在1L-MoS2材料中，不存在S模。（SiO2）（Si）SiO2/Si其中A法和BSiO2/SiSiO2的厚度無要求；CSiO2/SiSiO290nm90nmSiO2/Si襯底。SiO2層GB/T31225進(jìn)行測(cè)量。90nmSiO2/Si對(duì)于使用CVD90nmSiO2/Si（A法）原理MoS2在平N的MS2NMo2?1個(gè)SSNNi，以及N?1i1,2,…,N-1NSN,1/LBN,1（i=SN,N?1/LBN,N?1（i=SN,N?iLBN,N?i的峰MoS2)=ω(S????????)sin(iπ/2N)，ω(LBN,N?iω(LB????????)sin(iπ/2N)MoS2體材料的S模的峰位為ω(S????????=√2ω(S21)=32.5cm-1，ω(LB????????)=√2ω(LB21)=56.8cm-1。圖32102H-MoS2其中峰位最高且強(qiáng)度最強(qiáng)的SN,1模、峰位次高且強(qiáng)度次強(qiáng)的SN,3模(N≥4時(shí))、峰位最低且強(qiáng)度最強(qiáng)的LBN,N?1LBN,N?3模(N≥4時(shí))1。2H-MoS22H-MoS2S（（S2102H-MoS22??MoS2SS6B??1??1??模的峰位差來判斷該MoS2MoS2。2??此方法適用于2至10層的2H-MoS2薄片的層數(shù)測(cè)量。9圖3(a)1至10層以及體材料2H-MoS2薄片的低頻拉曼光譜，(b)SN,1模和SN,3模的峰位隨層數(shù)(N)的變化關(guān)系，(c)LBN,N?1模和LBN,N?3模的峰位隨層數(shù)(N)的變化關(guān)系儀器532nm單個(gè)陣列探測(cè)器陣元所覆蓋波數(shù)宜優(yōu)于0.5cm-1，且該光譜儀所測(cè)得硅材料位于520cm-1拉曼模的FWHM5cm-1。測(cè)量前，應(yīng)按GB/T33252JJF1544-20150cm-1。100500.3mW，避-60～60cm-1。MoS2SLB1000擬合得到S3SN,1SN,3LBN,N?1?；騆BN,N?3表1，與表中某一層數(shù)MoS20.2cm-1附錄C。S模。若所測(cè)譜圖中沒有出現(xiàn)S模，可進(jìn)一步根據(jù)B法來判斷該MoS21L-MoS2。1中各層數(shù)所列參考值都與實(shí)驗(yàn)所測(cè)S0.2cm-1，則該MoS22H10表1 2至10層2H-MoS2薄片中SN,1模、SN,3模、LBN,N?1模和LBN,N?3模的參考值層數(shù)??N,??模峰位??N,??模峰位LBN,N???模峰位LBN,N???模峰位2S2,1~23.0cm-1-LB2,1~40.1cm-1-3S3,1~28.1cm-1-LB3,2~28.4cm-1-4S4,1~30.0cm-1S4,3~12.4cm-1LB4,3~21.7cm-1LB4,1~52.5cm-15S5,1~30.9cm-1S5,3~19.1cm-1LB5,4~17.5cm-1LB5,2~45.9cm-16-S6,3~23.0cm-1LB6,5~14.7cm-1LB6,3~40.1cm-17-S7,3~25.4cm-1LB7,6~12.6cm-1LB7,4~35.4cm-18-S8,3~27.0cm-1LB8,7~11.1cm-1LB8,5~31.5cm-19-S9,3~28.1cm-1LB9,8~9.9cm-1LB9,6~28.4cm-110-S10,3~28.9cm-1LB10,9~8.9cm-1LB10,7~25.8cm-12??6基于??12??

1??

模的峰位差測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的拉曼光譜法（B法）原理2??晶體結(jié)構(gòu)完整的單層和多層MoS2薄片都具有高頻拉曼模??1模和??1??模，來源于(S-Mo-S)原子層內(nèi)原子的相對(duì)振動(dòng)，位于380-420cm-1之內(nèi)。如圖4所示，5層以內(nèi)??1模和??1??模的峰位差?(??1?????1)與2??2?? 2??2??MoS2?ω(??1????1252??2??2H-MoS25?ω(??1?????1)A法或C2??定。11此方法適用于1至5層的2H-MoS2薄片的層數(shù)測(cè)量。圖4(a)1至10層2H-MoS2薄片的高頻拉曼光譜，(b)??1模峰位、??1??模峰位和兩者峰位差?ω(??1?????1)2??N

2??儀器532nm1.0cm-1520cm-14.0cm-1（XY）2μm。測(cè)量前，應(yīng)按GB/T33252、JJF1544-2015100500.3mW，避380～410cm-1。MoS22????1??和??15000??1??和??1?ω(??1?????1)。2??2?? 2??310%MoS222???ω(??1?????1)所處的參考范圍得到待測(cè)樣品的層數(shù)。表征實(shí)例參見附錄D。2??2MoS22H5層。表2 1至5層2H-MoS2薄片的A1g和E1模峰位差?ω(A1g?E1)的參考范圍2g 2g層數(shù)(N)峰位差???(???????????)參考范圍????117.4≤?ω≤20.0220.8≤?ω≤22.5323.1≤?ω≤23.6423.9≤?ω≤24.2524.3≤?ω≤24.5SiO2/Si（C）MoS2SiO2/SiMoS2薄片/SiO2層/SiMoS2SiO2/SiMoS25薄片SiO2/Si520.7cm-1I2D(Si)MoS2SiO2/SiI0(Si)SiO2/SiSiO2I2D(Si)/I0(Si)MoS2說明：1——激光；2——未被MoS2薄片覆蓋的SiO2/Si襯底的硅拉曼特征峰520.7cm-1的峰高I0(Si)；3——MoS2薄片覆蓋下SiO2/Si襯底的硅拉曼特征峰520.7cm-1的峰高I2D(Si)；4——空氣；5——MoS2薄片；136——SiO2層；7——Si層。圖5制備在SiO2/Si襯底上的二硫化鉬薄片及I2D(Si)和I0(Si)的示意圖6（a）532nm，SiO2/SiSiO2hSiO290nmNA0.50I2D(Si)/I0(Si)MoS2薄片層數(shù)(N)之間關(guān)系的理論計(jì)算結(jié)果（菱形點(diǎn)）50，數(shù)值孔0.50，SiO290nm時(shí)，532nmI2D(Si)/I0(Si)與層數(shù)(N)之間的理論計(jì)算結(jié)果，可見峰高比值I2D(Si)/I0(Si)MoS2薄片層數(shù)呈單調(diào)變化關(guān)系，具體數(shù)值見31102H-MoS2薄片的層數(shù)。圖6（a）當(dāng)激發(fā)光波長為532nm，SiO2/Si襯底表面SiO2厚度hSiO2為90nm、數(shù)值孔徑NA等于0.50時(shí)I2D(Si)/I0(Si)與MoS2薄片層數(shù)(N)之間關(guān)系的理論計(jì)算結(jié)果（菱形點(diǎn)）儀器532nm500.551.0cm-1520cm-1FWHM4.0cm-1（XY）。6.2.2。500.550.3mW，避免樣品被激光加熱和損傷。500～540cm-1。MoS2MoS2MoS2薄片覆蓋的SiO2/SiI0(Si)SiO2/Si（，獲得SiSi過5000I0(Si)MoS2SiO2/SiI2D(Si)I0(Si)MoS27.3.4MoS2薄片樣品覆蓋下SiO2/Si襯底的拉曼模峰高I2D(Si)I2D(Si)的數(shù)值。I2D(Si)/I0(Si)3組10%3I2D(Si)/I0(Si)E。表3 I2D(Si)/I0(Si)與MoS2薄片層數(shù)之間關(guān)系的理論計(jì)算結(jié)果（532nm，襯底SiO2厚度為90nm，數(shù)值孔徑為0.50）層數(shù)12345678910I2D(Si)/I0(Si)0.8180.6430.4940.3760.2850.2170.1670.130.1020.081I2D(Si)/I0(Si)310%MoS2堆垛方式或者層數(shù)超過10層。SiO290±5nmGB/T31225精確測(cè)量SiO2/SiSiO2I2D(Si)/I0(Si)MoS2SiO2532nmI2D(Si)/I0(Si)MoS2系參見附錄。測(cè)試報(bào)告應(yīng)包括但不限于以下內(nèi)容：15——測(cè)量者；——拉曼譜圖及層數(shù)判定結(jié)果。測(cè)試報(bào)告參考格式參見附錄G。附錄A(資料性)拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的各種方法概要一覽表拉曼光譜法測(cè)量MoS2薄片層數(shù)的各種方法概要一覽表見表A.1。A.1拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的各種方法概要一覽表拉曼參數(shù)表征層數(shù)N的范圍堆垛方式光譜單個(gè)陣列探測(cè)器陣元覆蓋范圍硅單晶拉曼模FWHM物鏡數(shù)值孔徑NASiO2/Si襯底SiO2厚度hSiO2剪切模和呼吸模的峰位（A法）2-102H優(yōu)于0.5cm-1不大于4.0cm-1無要求無要求??1模和??1??模的峰2??位差（B法）1-52H優(yōu)于1.0cm-1不大于4.0cm-1無要求無要求SiO2/Si（C法）1-102H優(yōu)于1.0cm-1不大于4.0cm-1≤0.5590nm±5nm17附錄B(資料性)典型拉曼峰的光譜參數(shù)示意圖典型拉曼峰的光譜參數(shù)示意圖見圖B.1。說明：1——瑞利線；2——峰高；3——峰面積/峰強(qiáng)（陰影部分）；4——峰位；5——峰寬；6——基線（點(diǎn)劃線）；圖B.1典型拉曼峰的光譜參數(shù)示意圖附錄C(資料性)基于剪切模和呼吸模的峰位測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的拉曼光譜法（A法）的表征實(shí)例C.1。表C.1實(shí)驗(yàn)條件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)納米技術(shù)拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片的層數(shù)測(cè)量方法基于剪切模和呼吸模的峰位測(cè)量MoS2薄片的層數(shù)（A法）樣品制備方法機(jī)械剝離法樣品襯底參數(shù)SiO2/Si(111)SiO21cmx字母+數(shù)字”標(biāo)記拉曼光譜儀焦長800mm測(cè)試環(huán)境溫度25℃激發(fā)波長532nm使用物鏡倍數(shù)及其數(shù)值孔徑物鏡倍數(shù)=100X，NA=0.9入射到樣品激光功率0.155mW測(cè)譜使用的光柵刻線數(shù)1800g/mm單個(gè)陣列探測(cè)器陣元所覆蓋波數(shù)532nm520cm-10.49cm-1C.2。表C.2測(cè)試結(jié)果及層數(shù)表征19待測(cè)樣品編號(hào)待測(cè)樣品顯微圖像（100倍顯微物鏡下）拉曼光譜圖結(jié)果層數(shù)判斷依據(jù)及結(jié)果A-S1測(cè)得22.9cm-1，與S模峰2,1位相符;測(cè)得40.2cm-1，與LB2,1模峰位相符。A-S12A-S214.6cm-1LB模6,523.0cm-1，與S6,3模峰位相符；測(cè)得31.4cm-1，與S模峰位相6,1符；測(cè)得40.3cm-1，與LB6,3模峰位相符。A-S26薄片。A-S3LB模峰9,8LB9,6S9,132.1cm-1S9,1A-S39薄片。附錄D(資料性)2??基于??1模和??1??模的峰位差測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的拉曼光譜法（B法）的表征實(shí)例2??D.1。表D.1實(shí)驗(yàn)條件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)納米技術(shù)拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片的層數(shù)測(cè)量方法基于??1模和??1??模的峰位差測(cè)量MoS2薄片的層數(shù)（B法）2??樣品制備方法機(jī)械剝離法樣品襯底參數(shù)SiO2/Si(111)SiO21cmx字母+數(shù)字”標(biāo)記拉曼光譜儀焦長800mm測(cè)試環(huán)境溫度25℃激發(fā)波長532nm使用物鏡倍數(shù)及其數(shù)值孔徑物鏡倍數(shù)=100X，NA=0.9入射到樣品激光功率0.155mW測(cè)譜使用的光柵刻線數(shù)1800g/mm單個(gè)陣列探測(cè)器陣元所覆蓋波數(shù)532nm激發(fā)時(shí)，光柵中心處于520cm-1時(shí)單個(gè)陣列探測(cè)器陣元所覆蓋波數(shù)為0.49cm-1D.2。表D.2測(cè)試結(jié)果及層數(shù)表征21待測(cè)樣品編號(hào)待測(cè)樣品顯微圖像（100倍顯微物鏡下）拉曼光譜圖結(jié)果層數(shù)判斷依據(jù)及結(jié)果B-S1測(cè)得??1??405.0cm-1，??1385.7cm-1，峰位2??差為19.3cm-1。因此判斷B-S1為1層MoS2薄片。B-S2測(cè)得??1??407.6cm-1，??1384.2cm-1，峰位2??差為23.4cm-1。因此判斷B-S2為3層MoS2薄片。B-S3測(cè)得??1??408.3cm-1，??1383.9cm-1，峰位2??差為24.4cm-1。因此判斷B-S3為5層MoS2薄片。附錄E(資料性)基于SiO2/Si襯底的硅拉曼模峰高測(cè)量二硫化鉬薄片層數(shù)的拉曼光譜法（C法）的表征實(shí)例E.1。表E.1實(shí)驗(yàn)條件依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)納米技術(shù)拉曼光譜法測(cè)量二硫化鉬薄片的層數(shù)測(cè)量方法SiO2/Si測(cè)量MoS2薄片的層數(shù)（C法）樣品制備方法機(jī)械剝離法樣品襯底參數(shù)SiO2/Si(111)襯底，SiO2厚度90nm，襯底尺寸1cmx1cm，帶“字母+數(shù)字”標(biāo)記拉曼光譜儀焦長800mm測(cè)試環(huán)境溫度25℃激發(fā)波長532nm使用物鏡倍數(shù)及其數(shù)值孔徑物鏡倍數(shù)=50X，NA=0.55入射到樣品激光功率0.155mW測(cè)譜使用的光柵刻線數(shù)1800g/mm單個(gè)陣列探測(cè)器陣元所覆蓋波數(shù)532nm520cm-10.49cm-1E.2。表E.2測(cè)試結(jié)果及層數(shù)表征23待測(cè)樣品編號(hào)待測(cè)樣品顯微圖像（50倍顯微物鏡下）拉曼光譜圖結(jié)果層數(shù)判斷依據(jù)及結(jié)果I0(Si)I2D(Si)C-S1測(cè)得I0(Si)=16719，I2D(Si)=6398，I2D(Si)/I0(Si)=0.383。C-S1MoS2C-S2測(cè)得I0(Si)=17487，I2D(Si)=3146，I2D(Si)/I0(Si)=0.180。C-S2MoS2C-S3測(cè)得I0(Si)=17695，I2D(Si)=2466，I2D(Si)/I0(Si)=0.139。C-S3MoS2附錄F(資料性)基于SiO2/Si襯底的硅拉曼模峰高測(cè)量MoS2薄片層數(shù)的拉曼光譜法（C法）的I2D(Si)/I0(Si)理論計(jì)算結(jié)果(532nm激光)表F.1基于SiO2/Si襯底的硅拉曼模峰高測(cè)量MoS2薄片層數(shù)的拉曼光譜法（C法）的I2D(Si)/I0(Si)理論計(jì)算結(jié)果(532nm激光)NA0.350.5hSiO280nm85nm90nm95nm100nm80nm85nm90nm95n