氧化石墨烯是一種石墨烯衍生物，其表面附有種類繁多的含氧官能團(tuán)。其因具有大的比表面積、良好的親水性和生物親和性，在傳感器、儲(chǔ)能材料、藥物載體、催化等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用。其表征途徑主要為圖像類檢測(cè)法和圖譜類檢測(cè)法，圖像類檢測(cè)法主要以光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和原子力顯微分析(AFM)為主，而圖譜類檢測(cè)法主要以紅外光譜(IR)、拉曼光譜(Raman)和X射線衍射(XRD)為代表。
氧化石墨烯的表征檢測(cè)
1.光學(xué)顯微鏡和SEM 表征
光學(xué)顯微鏡是快速簡(jiǎn)便對(duì)石墨烯層數(shù)表征的一種有效手段。Geim 等發(fā)現(xiàn)利用涂有氧化物的硅片為襯底，并將硅的厚度調(diào)整到300nm，在一定波長(zhǎng)作用下，由于單層石墨烯和襯底對(duì)光線有一定的干涉可以通過(guò)襯底和石墨烯的反射光光強(qiáng)所造成的顏色差異來(lái)對(duì)比和分辨層數(shù)。此外，襯底也可以選用Si3N4、Al2O3、PMMA等其它材料，石墨烯和襯底背景顏色的光對(duì)比度則可以通過(guò)許多圖像處理的方法來(lái)達(dá)到準(zhǔn)確分辨的目的。
SEM也是石墨烯形貌表征手段之一，通過(guò)SEM圖像的顏色和表面褶皺可以大致觀測(cè)出石墨烯的層數(shù)。單層石墨烯在SEM有著一定厚度的褶皺面，這是因?yàn)槠錇榱私档妥陨肀砻婺?，形貌?huì)自主由二維向三維轉(zhuǎn)變。所以單層石墨烯的表面褶皺明顯大于雙層石墨烯，并且隨著石墨烯層數(shù)的增多，褶皺程度越來(lái)越小。
2.透射電子顯微鏡(TEM)表征
近來(lái)，隨著溶膠法制備石墨烯薄膜的出現(xiàn)，以及無(wú)支撐石墨烯膜器件特性的改善，TEM成為了懸浮狀石墨烯結(jié)構(gòu)表征的有利工具?？梢圆捎猛干潆婄R，借助石墨烯邊緣或褶皺處的電子顯微像來(lái)估算石墨烯片的層數(shù)和尺寸，此方式雖然簡(jiǎn)便快速，但無(wú)法對(duì)石墨烯的層數(shù)給予精確判斷。
若結(jié)合電子衍射(ED)則可對(duì)石墨烯的層數(shù)做出比較準(zhǔn)確的判斷。當(dāng)電子束入射方向發(fā)生改變時(shí)，單層石墨烯各個(gè)衍射斑點(diǎn)的強(qiáng)度基本不變，而雙層以及多層的石墨烯則因?qū)娱g干涉效應(yīng)的存在，電子束入射角的改變會(huì)使衍射斑點(diǎn)強(qiáng)度明顯變化。這種通過(guò)改變?nèi)肷潆娮邮较?，根?jù)在不同電子束入射角使石墨烯衍射斑點(diǎn)強(qiáng)度發(fā)生規(guī)律變化來(lái)判斷樣品的層數(shù)的方法可以極其明確地區(qū)分開單層與多層石墨烯。
3.原子力表征及圖像分析
原子力顯微鏡(AFM)被認(rèn)為是用于表征石墨烯形貌最有力的手段之一。AFM利用原子探針慢慢靠近或接觸被測(cè)樣品表面，當(dāng)距離小到一定程度時(shí)原子間的作用力會(huì)迅速上升，因此，通過(guò)顯微探針受力的大小就可以直接計(jì)算出樣品表面的高度，從而獲知樣品表面形貌的信息。
石墨在經(jīng)過(guò)氧化后，其層間距會(huì)增大到約0.77nm。附在云母片等基底上的氧化石墨烯剝離物，會(huì)增加約為0.35nm的附加層，所以在AFM下觀測(cè)單層氧化石墨烯的厚度一般約為0.7- 1.2nm。利用AFM觀測(cè)法可以知道石墨烯的橫向尺寸、面積和厚度等方面信息，但這種方法只能分辨出單層或雙層結(jié)構(gòu)的石墨烯。
4.拉曼光譜表征
拉曼光譜是最常用、快速、非破壞性和高分辨率表征碳材料的技術(shù)之一。在對(duì)石墨烯進(jìn)行表征的時(shí)候，拉曼圖譜中所形成波峰的形狀、位置和強(qiáng)度等特征都會(huì)隨著石墨烯層數(shù)的增加，發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)這些變化，則可以對(duì)石墨烯層數(shù)進(jìn)行初步的判斷。
石墨烯的拉曼光譜圖上一般會(huì)形成3個(gè)主要峰型，分別是D峰、G峰和2D峰。其中，D峰是因?yàn)槭┙Y(jié)構(gòu)中芳香環(huán)的sp2碳原子的對(duì)稱伸縮振動(dòng)（徑向呼吸）所引起的，因?yàn)檫@需要一個(gè)缺陷才能激活，所以D峰的強(qiáng)度一般用來(lái)衡量樣品結(jié)構(gòu)的有序程度。而G峰則是由于sp2碳原子間的拉伸振動(dòng)而引發(fā)的。2D峰由碳原子中兩個(gè)具有反向動(dòng)量的聲子雙共振躍遷而引起的，此特征峰的移動(dòng)和形狀則與石墨烯層數(shù)有著密切的關(guān)聯(lián)。
從下圖(以機(jī)械剝離的石墨烯樣品為例)可以觀察到，2D峰的寬度與石墨烯層數(shù)成正比，而其強(qiáng)度與石墨烯層數(shù)成反比。一般可以利用拉曼光譜圖中2D峰的半高寬和G/2D峰的強(qiáng)度之比精確石墨烯的層數(shù)。當(dāng)石墨烯光譜圖中2D峰的半高寬約30cm-1且G/2D峰的強(qiáng)度之比＜0.7時(shí)，則判斷此石墨烯樣品為單層結(jié)構(gòu)；當(dāng)2D峰的半高寬約50cm-1且G/2D的強(qiáng)度之比于0.7～1.0之間時(shí)，判斷其為雙層結(jié)構(gòu)；當(dāng)G/2D的強(qiáng)度之比＞1.0 時(shí)，則判斷其為多層結(jié)構(gòu)。
5.紅外光譜表征
紅外光譜圖在石墨烯的表征分析研究中，一般用來(lái)表征石墨烯及石墨烯衍生物或者其復(fù)合材料具體的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
化學(xué)法制備石墨烯實(shí)驗(yàn)中，天然鱗片石墨經(jīng)過(guò)氧化插層后，在整體結(jié)構(gòu)的層間和邊緣引入一定數(shù)量的含氧官能團(tuán)，主要為-COOH(邊緣)、-OH和-C-O-C-(片層表面)等。而氧化石墨與氧化石墨烯的紅外光譜圖主要含有以下幾個(gè)特征峰：在3400cm-1和1410cm-1左右位置的分別屬于-OH(羥基)的振動(dòng)吸收峰和變形吸收峰，1726cm-1左右位置的為C=O(羰基)的伸縮振動(dòng)吸收峰，1226cm-1左右位置的為C-O(環(huán)氧基)的伸縮振動(dòng)峰，1052cm-1左右位置的為C-O(烷氧基)的伸縮振動(dòng)峰，1620cm-1左右位置的為吸附水分子的變形振動(dòng)峰。
利用化學(xué)法制備石墨烯時(shí)，石墨被氧化或氧化石墨被還原的過(guò)程中，都會(huì)伴有紅外譜圖上特征吸收峰的減弱甚至是消失。在石墨烯及其衍生物進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性或復(fù)合的過(guò)程中，也會(huì)伴生有紅外光譜圖上峰形、峰強(qiáng)的相應(yīng)變化，并且極有可能引入新的特征吸收峰。因此紅外光譜非常適用于對(duì)化學(xué)法制備石墨烯或者制備其復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)測(cè)和調(diào)控。
6.X 射線衍射(XRD)
X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)表征分析實(shí)驗(yàn)可以精準(zhǔn)地測(cè)出樣品晶體晶格的參數(shù)變化。實(shí)驗(yàn)中，將當(dāng)激光照射到樣品晶格上得到的衍射峰偏轉(zhuǎn)角度，帶入到布拉格方程中，就可以快速得到晶體晶格的一些參數(shù)。以此作為根據(jù)可以得到并比較石墨烯和氧化石墨烯片層間的晶面間距。因?yàn)閄射線衍射分析實(shí)驗(yàn)可以測(cè)出晶體的結(jié)構(gòu)和晶格尺寸，所以十分合適對(duì)石墨、氧化石墨烯和還原后氧化石墨烯進(jìn)行表征從而使得其層間距作出對(duì)比，以便于對(duì)制備實(shí)驗(yàn)的成果進(jìn)行分析。
石墨烯、氧化石墨烯的表征手段眾多，其中，SEM、TEM、AFM、Raman和光學(xué)顯微鏡一般用來(lái)觀測(cè)石墨烯的層數(shù)，而IR、XRD和XPS則用來(lái)對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，從而監(jiān)控石墨烯的合成過(guò)程。