Raman Spectroscopy of Graphene

doi:10.6023/A13090936

Abstract

Graphene, a monolayer of carbon atoms packed into a two-dimensional crystal structure, attracted intense attention owing to its unique structure and optical, electronic properties. Raman spectroscopy is a quick and precise method in material science and has been employed for many years to investigate material properties. It can be used to investigate the electronic band structure, the phonon energy dispersion and the electron-phonon interaction in graphene systems. In probing graphene's properties, Raman spectroscopy is considered to be a reliable method. In this review, we highlight recent progress of studying graphene structure using Raman spectroscopy. First, on the basis of systematically analyzing the phonon dispersion of graphene, the typical Raman scattering features of graphene, such as G band, G' band, and D band, and the basic physical process are introduced. Using these Raman fingerprints, we can quickly and directly distinguish the layer thickness of graphene, determine the edge chirality and monitor the type and density of defects in graphene. Second, stacking disorder will significantly modify the optical properties and interlayer coupling stretch of few-layer graphene so that the Raman features of graphene will be strongly influenced not only in the G band intensity but also in the intensity, lineshape and the frequency of G' band. According to the peak position, width, and intensity of the Raman G band and G' band in graphene, we also discuss the influence of doping, substrate, temperature, and strain on the electronic structure of graphene. Finally, we introduce the second order overtone and combination Raman modes and the low frequency Raman feature (shear and layer breathing mode) in graphene, and discuss the dependence of these peaks on the structure of graphene.

Key words: graphene, Raman spectroscopy, layer dependence, stacking effect, overtone and combination mode, low frequency mode

Cite this article

Wu Juanxiaa, Xu Hua, Zhang Jin. Raman Spectroscopy of Graphene[J]. Acta Chimica Sinica, 2014, 72(3): 301-318.

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[1] Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666.

[2] Ling, X.; Xie, L. M.; Fang, Y.; Xu, H.; Zhang, H. L.; Kong, J.; Dresselhaus, M. S.; Zhang, J.; Liu, Z. F. Nano Lett. 2010, 10, 553.

[3] Morell, E. S.; Correa, J. D.; Vargas, P.; Pacheco, M.; Barticevic, Z. Phys. Rev. B 2010, 82, 121407.

[4] Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183.

[5] Mermint, N. D. Phys. Rev. 1968, 176, 250.

[6] Ni, Z. H.; Wang, Y. Y.; Yu, T.; Shen, Z. X. Nano Res. 2008, 1, 273.

[7] Zhang, C. H.; Fu, L.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 308. (张朝华, 付磊, 张艳峰, 刘忠范, 化学学报, 2013, 71, 308.)

[8] Ling, X.; Zhang, J. Acta Phys-Chim. Sin. 2012, 28, 2355. (凌曦, 张锦, 物理化学学报, 2012, 28, 2355.)

[9] Du, X.; Skachko, I.; Barker, A.; Andrei, E. Y. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 491.

[10] Bolotin, K. I.; Sikes, K. J.; Jiang, Z.; Klima, M.; Fudenberg, G.; Hone, J.; Kim, P.; Stormer, H. L. Solid State Commun. 2008, 146, 351.

[11] Avouris, P.; Chen, Z. H.; Perebeinos, V. Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 605.

[12] Yan, J.; Zhang, Y. B.; Kim, P.; Pinczuk, A. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 166802.

[13] Lee, C.; Wei, X. D.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321, 385.

[14] Dai, J.; Lang, M. D. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 1237. (戴静, 郎美东, 化学学报, 2012, 70, 1237.)

[15] Xu, H.; Wu, J. X.; Chen, Y. B.; Zhang, H. L.; Zhang, J. Chem. Asian J. 2013, 8, 2446.

[16] Gilje, S.; Han, S.; Wang, M.; Wang, K. L.; Kaner, R. B. Nano Lett. 2007, 7, 3394.

[17] Standley, B.; Bao, W. Z.; Zhang, H.; Bruck, J.; Lau, C. N.; Bockrath, M. Nano Lett. 2008, 8, 3345.

[18] Sun, D.; Aivazian, G.; Jones, A. M.; Ross, J. S.; Yao, W.; Cobden, D.; Xu, X. D. Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 114.

[19] Song, J. C. W.; Rudner, M. S.; Marcus, C. M.; Levitov, L. S. Nano Lett. 2011, 11, 4688.

[20] Liu, Y.; Cheng, R.; Liao, L.; Zhou, H. L.; Bai, J. W.; Liu, G.; Liu, L. X.; Huang, Y.; Duan, X. F. Nat. Commun. 2011, 2, 579.

[21] Gabor, N. M.; Song, J. C. W.; Ma, Q.; Nair, N. L.; Taychatanapat, T.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Levitov, L. S.; Jarillo-Herrero, P. Science 2011, 334, 648.

[22] Fang, N.; Liu, F.; Liu, X. R.; Liao, R. X.; Miao, L.; Jiang, J. J. Acta Chim. Sinica 2012, 70, 2197. (方楠, 刘风, 刘小瑞, 廖瑞娴, 缪灵, 江建军, 化学学报, 2012, 70, 2197.)

[23] Ferrari, A. C. Solid State Commun. 2007, 143, 47.

[24] Mafra, D. L.; Kong, J.; Sato, K.; Saito, R.; Dresselhaus, M. S.; Araujo, P. T. Phys. Rev. B 2012, 86, 195434.

[25] Kuzmany, H.; Pfeiffer, R.; Hulman, M.; Kramberger, C. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 2004, 362, 2375.

[26] Costa, S.; Borowiak-Palen, E.; Kruszynska, M.; Bachmatiuk, A.; Kalenczuk, R. J. Mater. Sci-Poland 2008, 26, 433.

[27] Ferrari, A. C.; Basko, D. M. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 235.

[28] Ling, X.; Zhang, J. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 2835.

[29] Gupta, A.; Chen, G.; Joshi, P.; Tadigadapa, S.; Eklund, P. C. Nano Lett. 2006, 6, 2667.

[30] Malard, L. M.; Pimenta, M. A.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Phys. Rep. 2009, 473, 51.

[31] Park, J. S.; Reina, A.; Saito, R.; Kong, J.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Carbon 2009, 47, 1303.

[32] Ferrari, A. C.; Meyer, J. C.; Scardaci, V.; Casiraghi, C.; Lazzeri, M.; Mauri, F.; Piscanec, S.; Jiang, D.; Novoselov, K. S.; Roth, S.; Geim, A. K. Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 187401.

[33] Graf, D.; Molitor, F.; Ensslin, K.; Stampfer, C.; Jungen, A.; Hierold, C.; Wirtz, L. Nano Lett. 2007, 7, 238.

[34] Voggu, R.; Das, B.; Rout, C. S.; Rao, C. N. R. J. Phys.: Condens. Matter 2008, 20, 472204.

[35] Lee, J.; Novoselov, K. S.; Shin, H. S. ACS Nano 2011, 5, 608.

[36] Das, A.; Chakraborty, B.; Sood, A. K. B. Mater. Sci. 2008, 31, 579.

[37] Ni, Z. H.; Liu, L.; Wang, Y. Y.; Zheng, Z.; Li, L. J.; Yu, T.; Shen, Z. X. Phys. Rev. B 2009, 80, 125404.

[38] Havener, R. W.; Zhuang, H. L.; Brown, L.; Hennig, R. G.; Park, J. Nano Lett. 2012, 12, 3162.

[39] Podila, R.; Rao, R.; Tsuchikawa, R.; Ishigami, M.; Rao, A. M. ACS Nano 2012, 6, 5784.

[40] Kalbac, M.; Frank, O.; Kong, J.; Sanchez-Yamagishi, J.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Jarillo-Herrero, P.; Dresselhaus, M. S. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 796.

[41] Poncharal, P.; Ayari, A.; Michel, T.; Sauvajol, J. L. Phys. Rev. B 2009, 79, 195417.

[42] Calizo, I.; Balandin, A. A.; Bao, W.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2007, 7, 2645.

[43] Ni, Z. H.; Yu, T.; Lu, Y. H.; Wang, Y. Y.; Feng, Y. P.; Shen, Z. X. ACS Nano 2008, 2, 2301.

[44] Huang, M. Y.; Yan, H. G.; Heinz, T. F.; Hone, J. Nano Lett. 2010, 10, 4074.

[45] del Corro, E.; Taravillo, M.; Baonza, V. G. Phys. Rev. B 2012, 85, 033407.

[46] Yoon, D.; Son, Y. W.; Cheong, H. Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 155502.

[47] Wang, Y. Y.; Ni, Z. H.; Yu, T.; Shen, Z. X.; Wang, H. M.; Wu, Y. H.; Chen, W.; Wee, A. T. S. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 10637.

[48] Cong, C. X.; Yu, T.; Saito, R.; Dresselhaus, G. F.; Dresselhaus, M. S. ACS Nano 2011, 5, 1600.

[49] Rao, R.; Podila, R.; Tsuchikawa, R.; Katoch, J.; Tishler, D.; Rao, A. M.; Ishigami, M. ACS Nano 2011, 5, 1594.

[50] Lui, C. H.; Malard, L. M.; Kim, S.; Lantz, G.; Laverge, F. E.; Saito, R.; Heinz, T. F. Nano Lett. 2012, 12, 5539.

[51] Cong, C. X.; Yu, T.; Sato, K.; Shang, J. Z.; Saito, R.; Dresselhaus, G. F.; Dresselhaus, M. S. ACS Nano 2011, 5, 8760.

[52] Thomsen, C.; Reich, S. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 5214.

[53] Wang, Y. Y.; Ni, Z. H.; Shen, Z. X.; Wang, H. M.; Wu, Y. H. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 043121.

[54] Yoon, D.; Moon, H.; Son, Y. W.; Choi, J. S.; Park, B. H.; Cha, Y. H.; Kim, Y. D.; Cheong, H. Phys. Rev. B 2009, 80, 125422.

[55] Ni, Z. H.; Wang, H. M.; Kasim, J.; Fan, H. M.; Yu, T.; Wu, Y. H.; Feng, Y. P.; Shen, Z. X. Nano Lett. 2007, 7, 2758.

[56] Roddaro, S.; Pingue, P.; Piazza, V.; Pellegrini, V.; Beltram, F. Nano Lett. 2007, 7, 2707.

[57] Casiraghi, C.; Hartschuh, A.; Lidorikis, E.; Qian, H.; Harutyunyan, H.; Gokus, T.; Novoselov, K. S.; Ferrari, A. C. Nano Lett. 2007, 7, 2711.

[58] Wang, H.; Zhou, Y.; Wu, D.; Liao, L.; Zhao, S. L.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Small 2013, 9, 1316.

[59] Wei, D. C.; Liu, Y. Q.; Wang, Y.; Zhang, H. L.; Huang, L. P.; Yu, G. Nano Lett. 2009, 9, 1752.

[60] Burgess, J. S.; Matis, B. R.; Robinson, J. T.; Bulat, F. A.; Perkins, F. K.; Houston, B. H.; Baldwin, J. W. Carbon 2011, 49, 4420.

[61] Grassi, R.; Low, T.; Lundstrom, M. Nano Lett. 2011, 11, 4574.

[62] Balog, R.; Jorgensen, B.; Nilsson, L.; Andersen, M.; Rienks, E.; Bianchi, M.; Fanetti, M.; Laegsgaard, E.; Baraldi, A.; Lizzit, S.; Sljivancanin, Z.; Besenbacher, F.; Hammer, B.; Pedersen, T. G.; Hofmann, P.; Hornekaer, L. Nat. Mater. 2010, 9, 315.

[63] Li, B.; Zhou, L.; Wu, D.; Peng, H. L.; Yan, K.; Zhou, Y.; Liu, Z. F. ACS Nano 2011, 5, 5957.

[64] Liao, L.; Song, Z. H.; Zhou, Y.; Wang, H.; Xie, Q.; Peng, H. L.; Liu, Z. F. Small 2013, 9, 1348.

[65] Ma, W. S.; Zhou, J. W.; Lin, X. D. Acta Chim. Sinica 2011, 69, 1463. (马文石, 周俊文, 林晓丹, 化学学报, 2011, 69, 1463.)

[66] Lai, C. W.; Sun, Y.; Yang, H.; Zhang, X. Q.; Lin, B. P. Acta Chim. Sinica 2013, 71, 1201. (来常伟, 孙莹, 杨洪, 张雪勤, 林保平, 化学学报, 2013, 71, 1201.)

[67] Eckmann, A.; Felten, A.; Mishchenko, A.; Britnell, L.; Krupke, R.; Novoselov, K. S.; Casiraghi, C. Nano Lett. 2012, 12, 3925.

[68] Casiraghi, C.; Hartschuh, A.; Qian, H.; Piscanec, S.; Georgi, C.; Fasoli, A.; Novoselov, K. S.; Basko, D. M.; Ferrari, A. C. Nano Lett. 2009, 9, 1433.

[69] Krauss, B.; Nemes-Incze, P.; Skakalova, V.; Biro, L. P.; von Klitzing, K.; Smet, J. H. Nano Lett. 2010, 10, 4544.

[70] You, Y. M.; Ni, Z. H.; Yu, T.; Shen, Z. X. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 163112.

[71] Cancado, L. G.; Pimenta, M. A.; Neves, B. R. A.; Dantas, M. S. S.; Jorio, A. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 247401.

[72] Cancado, L. G.; Jorio, A.; Ferreira, E. H. M.; Stavale, F.; Achete, C. A.; Capaz, R. B.; Moutinho, M. V. O.; Lombardo, A.; Kulmala, T. S.; Ferrari, A. C. Nano Lett. 2011, 11, 3190.

[73] Lui, C. H.; Li, Z. Q.; Chen, Z. Y.; Klimov, P. V.; Brus, L. E.; Heinz, T. F. Nano Lett. 2011, 11, 164.

[74] Craciun, M. F.; Russo, S.; Yamamoto, M.; Oostinga, J. B.; Morpurgo, A. F.; Tarucha, S. Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 383.

[75] Lui, C. H.; Li, Z. Q.; Mak, K. F.; Cappelluti, E.; Heinz, T. F. Nat. Phys. 2011, 7, 944.

[76] Zhang, W. J.; Yan, J. X.; Chen, C. H.; Lei, L.; Kuo, J. L.; Shen, Z. X.; Li, L. J. Nat. Commun. 2013, 4, 2074.

[77] dos Santos, J. M. B. L.; Peres, N. M. R.; Castro, A. H. Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 256802.

[78] Wang, Z. F.; Liu, F.; Chou, M. Y. Nano Lett. 2012, 12, 3833.

[79] Luican, A.; Li, G. H.; Reina, A.; Kong, J.; Nair, R. R.; Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Andrei, E. Y. Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 126802.

[80] de Laissardiere, G. T.; Mayou, D.; Magaud, L. Phys. Rev. B 2012, 86, 125413.

[81] Latil, S.; Meunier, V.; Henrard, L. Phys. Rev. B 2007, 76, 201402.

[82] Poncharal, P.; Ayari, A.; Michel, T.; Sauvajol, J. L. Phys. Rev. B 2008, 78, 113407.

[83] Ni, Z. H.; Wang, Y. Y.; Yu, T.; You, Y. M.; Shen, Z. X. Phys. Rev. B 2008, 77, 235403.

[84] Hwang, J. S.; Lin, Y. H.; Hwang, J. Y.; Chang, R. L.; Chattopadhyay, S.; Chen, C. J.; Chen, P. L.; Chiang, H. P.; Tsai, T. R.; Chen, L. C.; Chen, K. H. Nanotechnology 2013, 24, 015702.

[85] Kim, K.; Coh, S.; Tan, L. Z.; Regan, W.; Yuk, J. M.; Chatterjee, E.; Crommie, M. F.; Cohen, M. L.; Louie, S. G.; Zettl, A. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 246103.

[86] Yan, W.; Liu, M. X.; Dou, R. F.; Meng, L.; Feng, L.; Chu, Z. D.; Zhang, Y. F.; Liu, Z. F.; Nie, J. C.; He, L. Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 126801.

[87] Carozo, V.; Almeida, C. M.; Ferreira, E. H. M.; Cancado, L. G.; Achete, C. A.; Jorio, A. Nano Lett. 2011, 11, 4527.

[88] Lu, C. C.; Lin, Y. C.; Liu, Z.; Yeh, C. H.; Suenaga, K.; Chiu, P. W. ACS Nano 2013, 7, 2587.

[89] Gupta, A. K.; Tang, Y. J.; Crespi, V. H.; Eklund, P. C. Phys. Rev. B 2010, 82, 241406.

[90] Xu, H.; Xie, L. M.; Zhang, H. L.; Zhang, J. ACS Nano 2011, 5, 5338.

[91] Xu, H.; Chen, Y. B.; Zhang, J.; Zhang, H. L. Small 2012, 8, 2833.

[92] Apostolov, A. T.; Apostolova, I. N.; Wesselinowa, J. M. J. Phys.: Condens. Matter 2012, 24, 235401.

[93] Zabel, J.; Nair, R. R.; Ott, A.; Georgiou, T.; Geim, A. K.; Noyoselov, K. S.; Casiraghi, C. Nano Lett. 2012, 12, 617.

[94] Narula, R.; Bonini, N.; Marzari, N.; Reich, S. Phys. Rev. B 2012, 85, 115451.

[95] Mohr, M.; Maultzsch, J.; Thomsen, C. Phys. Rev. B 2010, 82, 201409.

[96] Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W. Z.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2008, 8, 902.

[97] Cai, W. W.; Moore, A. L.; Zhu, Y. W.; Li, X. S.; Chen, S. S.; Shi, L.; Ruoff, R. S. Nano Lett. 2010, 10, 1645.

[98] Tsukamoto, T.; Yamazaki, K.; Komurasaki, H.; Ogino, T. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 4732.

[99] Kostic, R.; Miric, M.; Radic, T.; Radovic, M.; Gajic, R.; Popovic, Z. V. Acta Phys. Pol., A 2009, 116, 718.

[100] Wang, H.; Wang, Y. F.; Cao, X. W.; Feng, M.; Lan, G. X. J. Raman. Spectrosc. 2009, 40, 1791.

[101] Michel, K. H.; Verberck, B. Phys. Rev. B 2012, 85, 094303.

[102] Saha, S. K.; Waghmare, U. V.; Krishnamurthy, H. R.; Sood, A. K. Phys. Rev. B 2008, 78, 165421.

[103] Malard, L. M.; Guimaraes, M. H. D.; Mafra, D. L.; Mazzoni, M. S. C.; Jorio, A. Phys. Rev. B 2009, 79, 125426.

[104] Reich, S.; Thomsen, C. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 2004, 362, 2271.

[105] Eklund, P. C.; Holden, J. M.; Jishi, R. A. Carbon 1995, 33, 959.

[106] Yan, J. A.; Ruan, W. Y.; Chou, M. Y. Phys. Rev. B 2008, 77, 125401.

[107] Sato, K.; Park, J. S.; Saito, R.; Cong, C. X.; Yu, T.; Lui, C. H.; Heinz, T. F.; Dresselhaus, G.; Dresselhaus, M. S. Phys. Rev. B 2011, 84, 035419.

[108] Lui, C. H.; Heinz, T. F. Phys. Rev. B 2013, 87, 121404.

[109] Tan, P. H.; Han, W. P.; Zhao, W. J.; Wu, Z. H.; Chang, K.; Wang, H.; Wang, Y. F.; Bonini, N.; Marzari, N.; Pugno, N.; Savini, G.; Lombardo, A.; Ferrari, A. C. Nat. Mater. 2012, 11, 294.

[110] He, R.; Chung, T.-F.; Delaney, C.; Keiser, C.; Jauregui, L. A.; Shand, P. M.; Chancey, C. C.; Wang, Y.; Bao, J.; Chen, Y. P. Nano Lett. 2013, 13, 3594.

拉曼光谱在石墨烯结构表征中的应用 2016 Awarded