拉曼光譜儀

拉曼光譜學（Raman Spectroscopy）主要用以研究晶格與分子之 振動模式與旋轉模式，與低頻模式下之光學系統分光技術。利用激發 光照射至待測物質上並產生散射光，藉由帶有散射光性質之強度、頻 率與光譜偏振等，可得知物質結構。本實驗使用拉曼光譜儀（Raman Spectrometer）用以量測並觀察因改變製程時間與製程氣體流量對石 墨烯品質之影響。拉曼效應主要原理為利用一具有良好之單色性、方 向性與高強度之激發光聚焦於待測樣品表面產生散生光，當激發光與 物質之間為彈性散射時稱為雷利（Rayleigh）散射，當激發光與物質 之間為非彈性散射時稱為拉曼（Raman）散射，根據散射光頻率可將 散射分為三種：

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（1）散射光頻率等於入射光頻率，稱為 Rayleigh scattering

（2）散射光頻率大於入射光頻率，稱為 Anti-Stokes Raman Scattering

（3）散射光頻率小於入射光頻率，稱為 Stokes Line Raman Scattering 通常將 Rayleigh 散射與 Raman 散射結合起來所形成之光譜稱為 Raman 光譜。Raman 效應因待測樣品本身無吸收激發光，Max Born 利用虛擬能階解釋其 Raman 效應，如圖 3.10⁽³⁵⁾，假設待測樣品原本 Anti-Stokes Raman Scattering。在完整之 Raman 光譜中，Stokes 譜線 與 Anti-Stokes 譜線將對稱分布於 Rayleigh 譜線兩側，因其對應得到 或失去一相同振動能量所造成。而 Rayleigh 譜線與 Raman 譜線之波 數差稱為 Raman Shift，即為分子振動能量差，對應關係公式⁽³⁶⁾如下：

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∆σ = σ − σ ^′ = (1 𝜆 ⁄ − 1 𝜆 ⁄ ) ^′

= (𝜈 − 𝜈 ^′ )

⁄ = ∆𝐸 ℎ𝑐 𝑐 ⁄

σ 為激發光子波數，σ'為散射光子波數，λ 為入射光波長，λ'為散射光 波長，h 為 Planck 常數。

拉曼光譜圖量測上，一般只觀測強度較強之 Stokes 譜線，因根 據 Boltzmann 分布，處於基態之振動能階上之粒子數大於激發態之振 動能階上之粒子數，如圖 3.11。而 Anti-Stokes 譜線與 Stokes 譜線強 度比將滿足下列公式⁽³⁷⁾：

I 為譜線強度，ν 為散射光頻率，νi為分子振動頻率，h 為 Planck 常數，

k 為 Boltzmann 常數，T 為絕對溫度。

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圖 3.10 Raman 效應虛擬能階示意圖⁽³⁵⁾

圖 3.11 四氯化碳之 Raman 光譜圖⁽³⁸⁾

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本實驗所使用之拉曼光譜儀如圖 3.12，其規格如下：

1. 機台型號：Thermo DXR 2. 雷射光源：固體雷射 3. 雷射光波長：532 nm

4. 雷射強度：0.1 mW ~ 10 mW 5. 光譜解析度：0.5 cm^-1

6. 曝光時間：最少 0.1 sec

7. 顯微鏡倍率：100X、200X、500X 與 1000X

圖 3.12 拉曼光譜儀 Thermo DXR

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本實驗使用拉曼光譜儀用以量測石墨烯之品質，石墨烯在拉曼光 譜圖中主要有三個特徵峰如圖 3.13⁽³⁹⁾：

（1）D peak 約位於 1350 cm^-1，主要為石墨烯之 sp、sp3 鍵結與斷鍵 缺陷之間振盪所造成，顯示石墨烯之缺陷與非晶相結構。

（2）G peak 約位於 1580 cm^-1，主要為石墨烯之 sp²鍵結之間振盪所 產生，顯示石墨烯苯環結構之對稱性與結晶程度。

（3）2D peak 約位於 2680 cm^-1，主要為石墨烯之兩個雙聲子產生非 彈性散射所造成。

圖 3.13 石墨烯之拉曼光譜圖⁽³⁹⁾

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3.5.3 原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope；AFM）

本實驗使用原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope；AFM）用 以量測並觀察不同製程氣體流量對石墨烯厚度之影響。原子力顯微鏡 主要量測原理為利用懸臂（cantilever）上之細小探針與待測樣品之之 凡得瓦力（Van Der Waals Force），用以描繪待測樣品之表面物理性質。

懸臂（cantilever）上之細小探針與待測樣品之交互作用力可分為排斥 力與吸引力，而根據排斥力與吸引力便發展出兩種不同量測模式：

（1） 利用原子與原子之間排斥力作用範圍之變化，細小探針與待測 樣品之間以接觸方式描繪出表面形貌，為接觸式原子力顯微鏡

（contact Atomic Force Microscope），細小探針與待測樣品之距 離約為數個 Å 。

（2） 利用原子與原子之間吸引力作用範圍之變化，細小探針於共振 之狀態下接近待測樣品，隨著細小探針接近待測樣品，其之間 作用力將改變共振頻率，藉由共振頻率變化描繪出表面形貌為 非接觸式原子力顯微鏡（non-contact Atomic Force Microscope）

細小探針與待測樣品之距離約為數十個 Å 至數百個 Å 。

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本實驗所使用之原子力顯微鏡如圖 3.14，其規格如下：

1. 機台型號：SPA400

2. 量測模式：接觸式與非接觸式 3. 針尖大小：7 nm

4. 探針共振頻率：170 kHz

圖 3.14 原子力顯微鏡 SPA400