二維材料層數相關的光學性質及厚度確定

二維材料的平面內化學鍵非常強，而兩層以上二維材料的層間相互作用則非常弱，一般為范德瓦爾斯相互作用。這使得二維材料可以通過機械剝離方法從其相應體材料制備而成。多層二維材料可能有多種層間堆垛方式，例如石墨烯存在AB，ABC甚至轉角的堆垛方式。二維材料按照晶格結果或堆垛方式又可以劃分為各向同性（以石墨烯，TMDs，h－BN為代表）和各向異性（以ReS2和黑磷為代表）二維材料。兩種或多種性質相似的二維材料還可以形成二維合金材料（以TMDs合金為代表），甚至還可以通過人為方式按照一定序列將不同二維材料采用水平或垂直方式組裝形成二維異質結構。以上所有這些材料和結構的能帶結構和光學性質都會隨著層數或者厚度的改變而顯著地發生改變，并且厚度是不連續的。

二維材料的光學性質隨層數的變化規律可以通過各種光學方法探測，例如光學襯度譜、瑞利散射、拉曼光譜、光吸收譜、光致發光譜和二次諧波產生等。隨著二維材料層數的增加，這些光譜的峰位、強度、線寬或者線型可能會發生顯著改變，或者出現一些新的光學特征。利用這些光譜特征信息隨層數的變化規律，可以對二維材料的厚度甚至堆垛方式等進行鑒別。

最近，中國科學院半導體研究所譚平恒研究組受《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）邀請，撰寫了關于二維材料層數相關的光學性質及其在厚度確定方面的綜述論文，已經在線發表。李曉莉、韓文鵬和吳江斌為該論文的共同第一作者。在該綜述文章中，作者系統地介紹了如何利用光學襯度譜確定石墨烯薄膜的層數，闡述了合理選擇顯微物鏡數值孔徑和襯底二氧化硅厚度的重要性；介紹了利用瑞利散射襯度可以清晰地分辨CVD制備石墨烯薄膜的不同層數；接著重點介紹了利用二維材料的高頻和低頻拉曼譜和襯底材料的拉曼光譜來確定二維材料的層數；然后介紹了采用光吸收譜、光致發光譜和二次諧波產生等方法確定二維材料的層數。

該綜述詳細地回顧了六種常見光學技術所探測的幾種典型二維材料所具有的層數相關的物理性質，并且論述了如何利用這些物理性質快速無損地檢測二維材料薄片的厚度。這種方法可以擴展到由微機械剝離法、化學氣相沉積方法生產或轉移制備以及其它方法制備的二維材料薄片，并在二維材料薄片的厚度表征和國際標準建立之間架起了橋梁，對從事二維材料研究和應用的科研和企事業人員都具有重要的參考價值。

圖：表征二維材料厚度的光學方法