物理化学学报 | 南京大学田玉玺、徐伟高教授团队：不同层数石墨烯光热显微成像

主要亮点

本文利用光热显微镜对比研究了石墨烯薄片在不同光热介质(空气、甘油)中随厚度变化的光热特性，发现了在两种介质中光热信号强度与样品厚度之间均存在非线性依赖关系。相比于空气介质，甘油介质中光热信号强度具有更高的对比度，且随着厚度增加表现出非单调变化。该研究提供了不同介质环境中不同层数石墨烯光吸收和热弛豫特征的详细细节信息，相关研究结论将为层状材料及其异质结的热学性质研究提供依据。

此论文是新型光电功能材料专刊邀请稿，客座编辑：周喻教授、杨双教授、赵炯教授、张先坤教授。

研究背景

二维层状材料(石墨烯、二维过渡金属硫族化合物等)因具有独特的物理性质，引起了研究学者们的广泛关注并极大促进了凝聚态物理学、化学和材料科学的发展。二维层状材料层数对其电子结构和性质有显著影响，以石墨烯为例，单层石墨烯具有高热导率，但当石墨烯的厚度从单原子变为双原子层时，横向声学支声子贡献的热导率大幅下降，石墨烯整体热导率降低，并且随着原子层数目增加，热导率持续下降。因此，深入理解光激发热电子的弛豫过程，并建立层数和石墨烯热弛豫特性之间的关系，对设计石墨烯基光电子器件及理解石墨烯热弛豫行为至关重要。

核心内容

1.  空气介质中石墨烯光热成像

图1  (a) 石墨烯薄片在空气介质中的光学显微图像和 (b) 光热图像；(c) 单层、双层、三层石墨烯光热强度直方图。

将1–3层的石墨烯薄片置于以空气为光热介质的环境中进行光热成像，在相同厚度的样品区域内光热信号分布均匀，并有较好的信噪比。通过对不同层数石墨烯的光热强度统计分析，发现光热强度随层数的关系明显不同于吸收性质，在吸收光谱中随着层数的增加，吸收能力呈线性增加的关系。而在对应的光热成像中，2层和3层石墨烯薄片的光热强度没有明显差异。该结果表明不同厚度石墨烯热弛豫过程与层数之间不是线性关系。

2.  甘油介质中石墨烯光热成像

相比之下，薄层石墨烯在甘油中的光热强度与厚度呈非单调关系，光热强度统计结果表明单层石墨烯的光热强度高于双层石墨烯，而2–4层石墨烯的光热强度与厚度呈良好的线性关系，这可能与单层石墨烯具有极高的热导率有关。与双层石墨烯相比，单层石墨烯具有更高的热传递效率，而双层石墨烯热导率明显低于单层石墨烯，从而降低了热量传递到甘油的难度，因此出现双层石墨烯的光热信号低于单层的情况。同时，我们通过光热强度测算了石墨烯的吸收截面积为1.6 × 10⁻¹⁸ cm² per C atom，与通过吸收值(2.3%)预测的吸收截面积相接近。

图2  (a) 甘油介质中石墨烯薄片的光热成像图；(b) 1–4层石墨烯光热信号统计直方图；(c) 不同层数石墨烯与加热光功率的关系；(d) 不同层数石墨烯与探测光功率的关系。

结论与展望

该工作以石墨烯为研究体系，利用光热显微镜系统研究了层数依赖的光热性质，发现在两种介质中光热信号强度与样品厚度之间均存在非线性依赖关系，并且在甘油中的光热强度与厚度呈非单调关系，明显区别于吸收随层数增加呈线性增加的关系。同时，利用光热信号计算了石墨烯的吸收截面，约为1.6 × 10⁻¹⁸ cm² per C atom。本研究提供了不同厚度石墨烯薄片的光吸收和热弛豫特性，并为利用光热信号识别厚度提供了一种可能的方法，将来有望为少层石墨烯和moiré超晶格的基础研究和实际应用提供更广泛的信息。

参考文献及原文链接

第一作者：都安邦，王源璠

通讯作者：田玉玺，徐伟高，魏志弘

通讯单位：南京大学介观化学教育部重点实验室，化学化工学院

都安邦，王源璠，魏志弘，张东旭，李理，杨炜青，孙千璐，赵丽丽，徐伟高，田玉玺. 不同层数石墨烯的光热显微成像. 物理化学学报, 2024, 40 (5), 2304027. DOI: 10.3866/PKU.WHXB202304027

Anbang Du, Yuanfan Wang, Zhihong Wei, Dongxu Zhang, Li Li, Weiqing Yang, Qianlu Sun, Lili Zhao, Weigao Xu, Yuxi Tian. Photothermal Microscopy of Graphene Flakes with Different Thicknesses. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40 (5), 2304027. DOI: 10.3866/PKU.WHXB202304027

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202304027

通讯作者

田玉玺  教授

田玉玺，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。2003年本科毕业于北京大学；2008年于中国科学院化学研究所取得博士学位，2009年至2015年分别在瑞典隆德大学和荷兰莱顿大学做博士后研究，2015年12月起任南京大学化学化工学院教授。先后入选南京大学登峰人才支持计划(B类)、江苏特聘教授、海外高层次人才青年计划、江苏双创人才等。主要致力于发展单分子光谱技术、新型光电材料的光物理机制研究以及单分子器件开发等方向。在Nat. Commnu.、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. Lett.等知名学术杂志上发表论文一百余篇。

徐伟高  教授

徐伟高，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。2008年在兰州大学化学化工学院获学士学位，2013年在北京大学化学与分子工程学院获博士学位。2013–2018年在新加坡南洋理工大学数理学院物理系开展博士后研究。2017年入选国家级青年人才计划，并于2018年3月加入南京大学化学化工学院，2019年入选江苏省“双创人才”，2023年入选华为“紫金学者”(挖潜支持计划)。多年来致力于量子材料设计、新奇物性探索与功能器件开发，在Nature、Nat. Photon.等国际学术刊物发表论文30余篇，被引3800余次，代表性研究成果包括建立了力学拉曼光谱技术的理论模型与实验方法、发现并揭示了二维半导体中的关联荧光闪烁效应等。

魏志弘  博士

魏志弘，南京大学化学化工学院博士后，2022年获南京大学博士学位并进站从事博士后研究工作。以第一作者或共同第一作者发表SCI论文9篇。主要从事单分子光谱及新型光电材料光物理性质研究。