照明系统主要由电子枪和聚光镜组成。电子枪是发射电子的照明光源。聚光镜是把电子枪发射出来的电子会聚而成的交叉点进一步会聚后照射到样品上。照明系统的作用就是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。
成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨本领的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都被成像系统中其它透镜进一步放大。欲获得物镜的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强激磁，短焦距的物镜。物镜是一个强激磁短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为100-300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。中间镜是一个弱激磁的长焦距变倍透镜，可在0-20倍范围调节。当M>1时，用来进一步放大物镜的像；当M<1时，用来缩小物镜的像。在电镜操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。投影镜的作用是把经中间镜放大（或缩小）的像（电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的激磁电流是固定的。因为成像电子束进入投影镜时孔镜角很小（约10-3rad）,因此它的景深和焦距都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还会出现一定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上的图像仍旧是清晰的。
观察和记录装置包括荧光屏和照相机构，在荧光屏下面放置一下可以自动换片的照相暗盒。照相时只要把荧光屏竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数十厘米的间距，仍能得到清晰的图像。
图5：JEM-2010F投射电子显微镜
3.1.3样品的制备
粉末样品的制备用超声波分散器将需要观察的粉末在溶液中分散成悬浮液。用滴管滴几滴在覆盖有碳加强火棉胶支持膜的电镜铜网上。待其干燥后，再蒸上一层碳膜，即成为电镜
观察用的粉末样品。 薄膜样品的制备。块状材料是通过减薄的方法制备成对电子束透明的薄膜样品。制备薄膜一般有以下步骤：（1）切取厚度小于0.5mm 的薄块。（2）用金相砂纸研磨，把薄块减薄到0.1mm-0.05mm 左右的薄片。为避免严重发热或形成应力，可采用化学抛光法。（3）用电解抛光，或离子轰击法进行最终减薄，在孔洞边缘获得厚度小于500nm 的薄膜。 复型样品的制备。样品通过表面复型技术获得。所谓复型技术就是把样品表面的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做“复型”）放到透射电镜中去观察分析，这样才使透射电镜应用于显示材料的显微组织。复型方法中用得较普遍的是碳一级复型、塑料二级复型和淬取复型。
3.1.4透射电镜在石墨烯中的应用
透射电镜最大的特点就是可以进行组织形貌与晶体结构的同位分析。当中间镜物平面与物镜像平面重合时，进行的是成像操作，得到的是物体的表面形貌图；当中间镜的物平面与物镜背焦面重合时，进行的是衍射操作，得到的是反映晶体结构特征的电子衍射花样。在电子衍射中，单晶得到的衍射花样为一系列规则排列的衍射斑点，多晶的衍射花样为不同半径的同心圆，非晶的衍射花样为一个漫散斑点[13]（如图5所示）。
图6：单晶、多晶和非晶的电子衍射花样
高分辨透射电子显微镜的分辨率可以达到单个原子量级。可反映石墨烯的层数、堆垛方式、边缘原子结构及变化、内部缺陷（如五七环结构）和表面吸附原子等信息。
如图6所示[14]，（a）是悬挂石墨烯的TEM，在光学显微镜中网栅同样可见。（b）是单层石墨烯的一个折叠边缘的高分辨率的图像，（c）层内的皱褶。（d）双层石墨烯的折叠边缘和（e）层内的折叠。对比片层的非晶结构很可能是由于样品吸附的羟基被电子束击碎。（f）接近垂直入射的单层石墨烯的电子衍射图样和（g）双层石墨烯的衍射图样。来自底部金属结构的弱衍射峰同样出现。（h）在（f）（g）中箭头表示的直线的强度剖面。双层石墨烯的衍射点的相对强度只与A-B（而不是A-A）堆垛相一致。
图6（a）中电子衍射用蔡司的912Ω显微镜，60KV下完成，用飞利浦CM200显微镜，在120KV下得到高分辨率图像。对边缘和自由悬挂层里面的皱褶进行高分辨率的TEM分析，可以直接观察出层数，因为在皱褶上石墨片是与光束平行的，如图1（b）-1（e）。一或两层的边缘和皱褶分别对应一或两条暗线。通过改变入射角进行衍射分析同样得到层数。从皱褶中确认层数，如图1（d）和图1（e）。特别地，衍射分析显示双层石墨烯呈A-B堆
垛（11-20衍射点（六角形外）的强度大概为1-100衍射点（六角形内）强度的两倍），如图1（h），这与通过原子势场的投影的傅里叶变换衍射进行的衍射模拟的结果相一致。这可以确认多层的石墨烯具有相同的堆垛结构。
图7：石墨烯的透射电子形貌图和电子衍射花样（比例尺：（a）500nm；（b-e）2nm）[14]
3.2拉曼光谱和红外光谱分析 3.2.1拉曼光谱和红外光谱分析原理[15]
红外吸收光谱和拉曼光谱是测量薄膜样品中分子振动的振动谱。显然，分子振动依赖于薄膜的化学组成、结构、化学键合，而直接决定分子振动能的是分子之间的化学键合。构成
薄膜样品分子振动的频率一般从红外延展到远红外范围。当用红外线照射薄膜样品时，与样品分子振动频率相同的红外光就会被分子共振吸收。由于每种分子的振动频率一般都是确定的，因此利用红外吸收光谱可以标识薄膜中所含的分子并确立分子间的键合特性。这便是红外吸收和傅里叶红外光谱的基本原理。
另一方面，如果照射薄膜样品的入射光不是红外光而是可见光或紫外光，则当入射光照射到样品后，出来的散射光频率会有稍许改变，这种频率的改变也是由分子振动引起的。因此，如果从实验上能够测定这种这种频率的改变（即波数的位移），即可分析和鉴别出薄膜样品的化学组成和化学键合（尤其是对后者特别有效），这便是拉曼光谱分析的基本原理。入射光受到样品的散射称为拉曼散射，它属于非弹性散射，拉曼散射包括斯坦克斯散射和反斯坦克斯散射。散射引起的频率变化实际上是一种能量变化，这一能量的变化与分子振动的能级变化有关。
图8 RENISHAW激光显微拉曼光谱仪
3.2.2拉曼光谱分析在石墨烯中的应用
Raman 光谱是碳材料的标准表征技术，也是一种高效率、无破坏的石墨烯检测手段。一般石墨的拉曼光谱中有三个极为显著的特征峰：位于1350cm?1附近的D峰，此峰是由石墨的无序性诱导(disorder-induced)引起的，对于极为有序、无缺陷的石墨样品的拉曼光谱观察不到D峰存在；位于1580cm?1附近的G 峰，此峰由石墨一阶拉曼光谱的E2g光学模产生的，一般为单峰；位于2700 cm?1附近的2D峰，是由双光子在第一布里渊区中心两个互不等价的K点附近双共振拉曼激发引起的，一般认为2D峰是D 峰的倍频峰，但在有序、无缺陷石墨样品的拉曼光谱中可以观察到有双峰结构的2D峰，研究表明石墨烯的拉曼谱中2D峰的强度、形状和位置等能够反映石墨烯的厚度、结构等信息[16]。
图7（a）比较了石墨烯和石墨块体的514nm拉曼光谱[14]。两个最显著的特征是在~1580cm-1的G峰和在~2700cm-1的2D带，因为其为在石墨样品中经常观察到的第二显眼的峰。G峰来源于区域中心的E2g模的二重简并。相反，2D带与G峰无关，是区域边界声子的二级拉曼散射。由于区域边界声子不满足基本拉曼选择定则，所以在没有缺陷的石墨的一级谱中观察不到，但存在缺陷的石墨会引起一个在~1350cm-1的D峰。图7（a）显示石墨烯层中心没有观察到D峰，证明了并没有明显存在缺陷。与期望一样，D峰只是在样品边缘
观察到，如图7（d）。图7（a）显示，比较石墨块体，石墨烯2D峰的形状和强度都有明显改变。石墨块体的2D峰由2D1和2D2两个部分组成[17]，2D1和2D2的高度分别约为G峰的1/4和1/2。而在石墨烯我们则测量到一个单独、尖锐的2D峰，强度约为G峰的4倍。注意的是，两者的G峰是相当的（注意图7（a）改变了比例使得二者2D的强度相当），而石墨烯G峰位置比石墨块体上移3-5cm-1。上移部分原因是化学的掺杂。图7（d）比较了石墨块体边缘和石墨烯边缘的D峰，很好地证实了2D带形状的变化，石墨烯的D峰是一个单独的尖锐的峰，而石墨块体是一个由两个峰D1和D2组成的带。图7（b）和7（c）标示了514.5和633nm激光下2D带随层数变化的变化，直接表明了双层石墨烯的2D带比单层石墨的更宽以及有上移，同样与石墨块体的相差很大。双层石墨烯的2D带包含了四个成分，分别为2D1B，2D1A，2D2A，2D2B，其中2D1A和2D2A相对其余两个峰强度更大，如图7（e）所示。图7（b）和7（c）显示层数的进一步增加导致低频的2D1峰强度显著降低。对于大于5层的石墨烯的拉曼光谱很难与石墨块体相区别。所以拉曼光谱可以清楚地区分单层、双层和少层（小于5层）的石墨烯[18,19]，这同样解释了为什么之前在纳米碳而不是在单层或双层石墨烯的实验中识别不到这些特征。
图9：石墨与石墨烯的拉曼光谱图