各位好，今天和大家分享LIBSMapping+RamanMapping双模态联合应用第三期：前沿二维材料的精准表征，暨共定位LIBS-Raman显微成像：实现二维材料掺杂、缺陷与应力的综合分析。

摘要：二维材料（2D materials）的诸多新奇物理性质强烈依赖于其原子级薄的厚度、晶格质量、掺杂类型与浓度、以及应变分布。这些参数相互耦合，传统表征技术往往只能提供单一维度的信息，难以在同一微区实现全面评估。本文详细论述了一种基于共定位扫描的激光诱导击穿光谱（LIBS）与拉曼光谱（Raman）联用系统，如何通过其长工作距离、高空间分辨率与自动对焦功能，为解决二维材料多参数耦合表征的难题提供一站式解决方案。该系统能够在亚微米尺度上，对同一位置先后进行分子结构识别（Raman）和元素成分分析（LIBS），实现对掺杂（本征 vs. 外延）、缺陷、吸附物及应力的精准区分与关联性研究，为二维材料的可控生长、物性调控及器件集成提供至关重要的分析工具。

正文：

1. 引言：二维材料表征的多参数耦合挑战

      自石墨烯被发现以来，二维材料家族已扩展到包括过渡金属硫化物（TMDs，如MoS₂）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷（BP）等多种材料。其独特的电子能带结构、强烈的光-物质相互作用和极高的表面体积比，使其在下一代电子学、光电子学、自旋电子学和催化等领域展现出巨大应用潜力。然而，二维材料的性能对其微观结构极其敏感：

• 掺杂： intentional掺杂（如B、N掺杂石墨烯）是调控其电学性质（如打开带隙、调控费米能级）的关键手段。但掺杂原子是进入晶格（替代式）还是仅吸附于表面，其效果截然不同。
• 缺陷： 空位、晶界等缺陷既是散射中心，降低载流子迁移率，也可能成为活性位点，增强催化性能。
• 应变： 微小的晶格应变可显著改变其电子结构和光学性质，如直接-间接带隙转变。
• 吸附物： 表面吸附的氧、水分子或其他污染物会显著改变材料的实际性能。

      目前，扫描探针技术（如STM、AFM）分辨率高但速度慢、环境要求苛刻；光学显微镜（如PL、Raman）可快速筛查但缺乏元素信息；XPS可提供元素与化学态信息但空间分辨率有限且需高真空。因此，亟需一种能够在空气/惰性环境下快速工作，并能同时提供分子结构（用于鉴定相、应变、缺陷）和元素成分（用于鉴定掺杂剂、吸附物）的高空间分辨率技术。

2. 技术优势：为二维材料量身定做的解决方案

      共定位LIBS-Raman联用技术巧妙地整合了两种技术的优势，并通过以下特性完美适配二维材料的分析需求：

• 高空间分辨率与长工作距离物镜：系统采用高数值孔径（NA）的长工作距离物镜（如100x, NA=0.8, WD=3.4mm）。高NA确保了光学衍射极限下的最高空间分辨率（理论上可达到1μm甚至于更小），足以清晰分辨单层二维材料的边缘、折叠、裂纹以及畴界。长工作距离则提供了充足的操作空间，避免物镜在扫描过程中触碰样品或衬底上的微纳结构，尤其适合分析表面有纳米线或量子点等装饰物的复杂样品。
• 自动对焦保障超薄材料分析稳定性：二维材料通常厚度小于1 nm，激光焦深的微小变化就会导致信号剧烈波动甚至完全消失。自动对焦模块通过实时监测样品表面的高度变化（Z轴），动态调整物镜位置，确保激光焦点始终精确落在超薄的二维材料平面上。这不仅保证了整个Mapping过程中Raman和LIBS信号的强度稳定，对于获得可靠的G峰、2D峰强度比（用于层数判定）和元素定量信息至关重要。
• 同点位测试的核心价值：这是本技术的“杀手锏”。系统通过高精度电动位移台和软件坐标同步，确保在进行Raman扫描后，能将LIBS激光精确地打在刚才每一个Raman测量点上（定位精度可达±0.5μm）。这种“所见即所测”的能力，实现了数据空间的绝对一一对应。

3. 应用场景与预期成果

1. 场景一：石墨烯掺杂类型的精准鉴定

• 过程：首先对化学气相沉积（CVD）生长的B掺杂石墨烯薄膜进行Raman Mapping，获取G峰和2D峰的峰位、峰宽及强度比图像。这些参数可反映石墨烯的层数、缺陷密度（D峰强度）和掺杂引起的费米能级移动（G峰蓝移）。
• 同点位LIBS分析：随后对上述区域进行同点位LIBS扫描，获取硼（B）元素的二维分布图。
• 关联分析：将B元素分布图与Raman特征图叠加。若B元素分布与G峰蓝移区域高度重合，则强烈表明B原子成功进入了石墨烯晶格，形成了替代式掺杂。若B元素分布与Raman特征无明确关联，则可能为无定形B或B₂O₃等污染物的吸附。这是仅凭Raman或仅凭LIBS都无法独立完成的判断。

• 过程：对MoS₂薄膜进行Raman和光致发光（PL）Mapping。Raman的E¹₂ₓ和A₁ₓ模式差值可反映层数，PL强度与峰位对缺陷极其敏感，可勾勒出低质量、高缺陷区域。
• 同点位LIBS分析：获取Mo、S以及可能存在的O、C等杂质元素的分布。
• 关联分析：若发现某区域PL淬灭严重（高缺陷），且同点位LIBS显示S信号减弱而O信号增强，则可推断该处的缺陷源于硫空位及其被氧钝化。这为理解TMDs的环境稳定性及修复缺陷提供了直接证据。

     3. 场景三：二维异质结界面互扩散与应力研究

• 过程：制备WS₂/MoS₂垂直异质结。通过Raman Mapping扫描界面区域，WS₂和MoS₂的特征峰会因层间耦合和应变发生移动，可绘制出应变分布图。
• 同点位LIBS分析：获取W、Mo、S元素的跨界面分布图。
• 关联分析：将元素分布与应变分布叠加。若在界面处观察到W和Mo元素存在一个互扩散区（LIBS显示），且该区域对应着特定的拉曼峰位移（应变），则可直接建立元素互扩散与界面应力之间的定量关系，为研究异质结的界面性质和载流子动力学提供关键参数。

4. 技术挑战与展望

      尽管优势突出，该技术应用于二维材料仍面临挑战：

1. 激光损伤阈值：二维材料原子级薄，对激光功率极其敏感。需精细优化LIBS激光的能量密度，在保证产生足够等离子体的同时，最小化对材料的损伤，避免测试本身引入缺陷。
2. 轻元素检测灵敏度：LIBS对C、B、N、O等轻元素的绝对灵敏度相对较低，需要高灵敏度光谱仪和优化的采集参数来提高信噪比。
3. 数据解析复杂度：海量的多维数据对融合、可视化与分析提出了高要求。需要开发基于机器学习的数据处理流程，自动识别特征区域并提取关联规律。

      未来，该技术将与低温、电场调控等外场结合，实现原位观测二维材料在外界刺激下的动态演化过程；同时，通过与扫描探针技术联用，有望构建起从宏观光学性质到微观原子结构的完整表征链条。

5. 结论

      共定位LIBS-Raman显微成像技术以其独特的“分子结构-元素成分”同点位关联分析能力，成功突破了二维材料多参数耦合表征的瓶颈。它就像一位拥有“火眼金睛”的侦探，不仅能看清材料的“外貌”（形貌、应变），还能洞察其“内在本质”（元素组成、化学态），从而能够清晰地将掺杂、缺陷、吸附和应变等效应区分开来。这一强大的工具必将成为推动二维材料从基础研究走向实际应用的加速器。

      我司新近推出的显微LIBSMapping+RamanMapping双模态光谱测试系统，搭配自动对焦模组，RamanMapping空间分辨率1μm，LIBSMapping分辨率50μm以内，可以对本应用带来帮助，欢迎咨询合作。

设备介绍

图 1. 显微LIBSMapping+RamanMapping光路示意图。

图2 设备实物图