[論文レビュー] Raman Spectroscopy of Graphene under Uniaxial Stress: Phonon Softening and Determination of the Crystallographic Orientation

Mingyuan Huang, Hugen Yan+4 more|ArXiv.org|Dec 11, 2008

Graphene research and applications参考文献 31被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、可変な一軸引張応力をかけたグラフェンのラマン分光法を調査し、ひずみがフォノンの軟化と対称性の破れを引き起こし、GバンドがG+およびG-のサブバンドに分裂することを実証した。偏光ラマン測定により、応力軸に対する明確な偏光依存性が観察され、高精度でグラフェンの結晶学的方位を光学的に特定可能である。

ABSTRACT

We present a systematic study of the Raman spectra of optical phonons in graphene monolayers under tunable uniaxial tensile stress. Both the G and 2D bands exhibit significant red shifts. The G band splits into two distinct sub-bands (G+, G-) because of the strain-induced symmetry breaking. Raman scattering from the G+ and G- bands shows a distinctive polarization dependence that reflects the angle between the axis of the stress and the underlying graphene crystal axes. Polarized Raman spectroscopy therefore constitutes a purely optical method for the determination of the crystallographic orientation of graphene.

研究の動機と目的

• 単層グラフェンのラマンスペクトルに及ぼす一軸引張応力の影響を調査すること。
• ひずみがフォノンモード、特にGバンドおよび2Dバンドをどのように変化させるか、フォノンの軟化を通じて理解すること。
• 一軸応力によって引き起こされる対称性の破れが、GバンドのG+およびG-成分への分裂を引き起こす仕組みを調査すること。
• 偏光ラマン分光法を用いて、グラフェンの結晶学的方位を完全に光学的手法で特定する方法を確立すること。
• グラフェンの結晶軸と相対する応力方向に対するラマン散乱の偏光依存応答を定量すること。

提案手法

• スパナード単層グラフェン試料に可変な一軸引張応力を印けること。
• 共焦点マイクロラマン装置を用いて、さまざまな応力レベルでのラマンスペクトルを測定すること。
• 偏光した光源を照射し、散乱光を収集体することで、応力方向に応じた異方的ラマン応答を測定すること。
• ひずみによって対称性が低下することで生じるGバンドのG+およびG-成分への分裂を分析すること。
• 応力軸とグラフェンの結晶学的軸との角度に応じた強度変動を、その角度との相関関係で分析すること。
• 偏光分解能ラマン分光法を用いて、構造的イメージングを一切行わずに結晶学的方位を抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一軸引張応力は、グラフェンにおけるラマンGバンドおよび2Dフォノンモードにどのように影響を与えるか？
• RQ2 一軸ひずみ下で観察されるGバンドの分裂の起源とその大きさは何か？
• RQ3 ラマン散乱の偏光依存性は、グラフェンの結晶学的方位をどのように反映しているか？
• RQ4 偏光ラマン分光法は、グラフェンの結晶学的方位を信頼性高く、非破壊的に特定するための有効な手法とみなせるか？
• RQ5 ひずみ方向とG+およびG-サブバンドの強度変調との関係は何か？

主な発見

• 一軸引張応力下で、対称性の破れによりGバンドがG+およびG-の2つの明確なサブバンドに分裂した。
• Gバンドおよび2Dバンドの両方が顕著な赤方シフトを示し、ひずみ下でのフォノンの軟化を示した。
• G+およびG-バンドの強度は、応力軸とグラフェンの結晶軸との角度に応じて強く偏光依存性を示した。
• 偏光異方性のおかげで、光学的手法のみでグラフェンの結晶学的方位を高精度に特定可能となった。
• 観察された分裂および偏光応答は、グラフェンにおけるフォノン分散のひずみ誘起変化に関する理論予測と整合的であった。
• 本手法は、追加のイメージングやエッチングを要せず、破壊的でないイン・サイトでの方位マッピング技術を提供した。