一種測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料物理性質(zhì)參數(shù)的測(cè)試方法和光譜技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及拉曼光譜 技術(shù)，尤其是一種測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多層石墨烯是二維層狀材料研宄的一個(gè)重要方向。二維層狀材料的共同特點(diǎn)是層 內(nèi)原子靠共價(jià)鍵耦合在一起，而層與層之間依賴范德瓦耳斯力相互作用，因此層內(nèi)原子的 相互作用很強(qiáng)，原子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，而層間的相互作用很弱，可以通過多種堆垛形式堆積成 三維結(jié)構(gòu)。隨著層數(shù)的增加，二維層狀材料顯示出不同于單層材料的電子能帶結(jié)構(gòu)和物理 性質(zhì)。因此，確定二維層狀材料，特別是多層石墨烯的層數(shù)對(duì)于研宄這些材料的物理性質(zhì)和 它們?cè)诎雽?dǎo)體器件方面的應(yīng)用有重要意義。
[0003] 近幾十年來，人們發(fā)表了各種測(cè)試多層石墨烯層數(shù)的方法。例如，利用原子力顯微 鏡可以直接對(duì)多層石墨烯樣品的厚度進(jìn)行測(cè)量，但是由于其單層材料的厚度通常只有納米 甚至埃的量級(jí)，原子力顯微鏡的測(cè)試結(jié)果容易受到襯底粗糙度以及樣品表面吸附等因素的 影響，這導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果往往存在較大偏差，且測(cè)試效率不高。利用光學(xué)襯度的方法可以有效 地對(duì)單層及少層（小于10層）石墨烯樣品進(jìn)行層數(shù)表征，但是隨著層數(shù)增加，相鄰層數(shù)樣 品之間的反射光譜差別越來越小，這時(shí)已經(jīng)不足以準(zhǔn)確表征更多層數(shù)的多層石墨烯樣品。 另外，利用多層石墨烯樣品本身的拉曼特征模式也可以測(cè)試樣品層數(shù)，例如根據(jù)2D模的峰 型變化或者根據(jù)剪切模的峰位可以判斷少層（一般小于5層）石墨烯樣品的層數(shù)，但是樣 品本身拉曼特征模式的峰型和峰位信息容易受到樣品中缺陷以及樣品層間堆垛方式等因 素影響，導(dǎo)致層數(shù)測(cè)試方法的失效。
[0004] 如何尋找一種有效的多層石墨烯層數(shù)測(cè)試技術(shù)，既能減少由于樣品中缺陷以及樣 品層間堆垛方式不同等因素對(duì)層數(shù)測(cè)量的影響，同時(shí)又能快速而準(zhǔn)確地測(cè)試大于10層的 多層石墨烯樣品，對(duì)研宄石墨烯和其它二維層狀材料的物理性質(zhì)和器件應(yīng)用非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (一）要解決的技術(shù)問題
[0006] 本發(fā)明的目的在于探索一種測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法。這種 方法既能避免樣品中缺陷以及樣品層間堆垛方式不同等因素對(duì)層數(shù)測(cè)量的影響，又在更多 層數(shù)范圍內(nèi)具有很高的準(zhǔn)確性，并且不依賴于Si02/Si襯底的取向和入射激光的偏振狀態(tài)， 對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)具有普適性，適用于100層以內(nèi)多層石墨烯樣品的層數(shù)表征。
[0007](二）技術(shù)方案
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方 法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1 :利用橢圓偏光儀測(cè)量復(fù)合硅襯底表面SiOji的厚度，其中復(fù)合硅襯底為 Si02/Si襯底，3102層形成于Si層之上；
[0010] 步驟2:在復(fù)合硅襯底上通過微機(jī)械剝離方法或轉(zhuǎn)移方法制備多層石墨烯樣品； [0011] 步驟3:利用光學(xué)顯微鏡在復(fù)合硅襯底表面找到需要測(cè)試的多層石墨烯樣品區(qū) 域，選擇激光光源，利用顯微拉曼譜儀分別測(cè)試復(fù)合硅襯底被多層石墨烯樣品覆蓋部分以 及未被多層石墨烯樣品覆蓋部分的位于520波數(shù)附近的一階硅拉曼信號(hào)，被多層石墨烯樣 品覆蓋部分一階硅拉曼信號(hào)的強(qiáng)度被標(biāo)記為I(SiJ，未被多層石墨烯樣品覆蓋部分一階硅 拉曼信號(hào)的強(qiáng)度被標(biāo)記為I(SO，得到強(qiáng)度比值I(SiJ/I(S。的測(cè)試值；
[0012] 步驟4 :利用激光波長(zhǎng)、顯微物鏡數(shù)值孔徑、復(fù)合硅襯底Si02層厚度和石墨烯復(fù)折 射率計(jì)算得到在此條件下強(qiáng)度比值KsiJ/i(S。隨石墨烯層數(shù)變化關(guān)系的理論值，將該 理論值與測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，得到多層石墨烯樣品的層數(shù)。
[0013] 上述方案中，步驟4中所述顯微物鏡采用數(shù)值孔徑小于等于0. 55的長(zhǎng)工作距離物 鏡。
[0014] 上述方案中，步驟3中所述測(cè)試使用的光柵分辨率優(yōu)于0. 5cm'
[0015] 上述方案中，步驟3中所述測(cè)試時(shí)照射到樣品表面的激光功率低于0. 5mW，以便避 免激光對(duì)樣品的加熱效應(yīng)。
[0016] 上述方案中，步驟3中所述硅一階拉曼信號(hào)強(qiáng)度I(Sie)和I(SiJ應(yīng)采用面積強(qiáng) 度，以減小實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差。
[0017] 上述方案中，在步驟3測(cè)試Ksg時(shí)，應(yīng)靠近所測(cè)樣品附近未被多層石墨烯覆蓋 的區(qū)域，通過調(diào)節(jié)顯微物鏡的聚焦旋鈕，獲得硅一階拉曼信號(hào)的最大強(qiáng)度I(so，然后直接 將復(fù)合硅襯底平移到附近的多層石墨烯區(qū)域，再次測(cè)量硅一階拉曼信號(hào)KsiJ;在此過程 中不要進(jìn)行再次聚焦，以免兩次聚焦情況不同帶來的測(cè)量誤差。
[0018] 上述方案中，石墨烯復(fù)折射率的不同選取會(huì)影響所測(cè)試層數(shù)的準(zhǔn) 確性，在步驟4中采用的石墨稀復(fù)折射率為ff\ (A) =rii(A)-iki(入）， 在450nm-750nm可見光范圍內(nèi)，可由以下公式擬合出來 aexp (bA)+cexp (dA)，其中a= 47. 64，b= -〇? 01434，c= 2. 222，d= 0? 0003668 ;
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1 :利用橢圓偏光儀測(cè)量復(fù)合硅襯底表面SiOJi的厚度，其中復(fù)合硅襯底為SiO2/ Si襯底，SiOjl形成于Si層之上； 步驟2 :在復(fù)合硅襯底上通過微機(jī)械剝離方法或轉(zhuǎn)移方法制備多層石墨烯樣品； 步驟3:利用光學(xué)顯微鏡在復(fù)合硅襯底表面找到需要測(cè)試的多層石墨烯樣品區(qū)域，選 擇激光光源，利用顯微拉曼譜儀分別測(cè)試復(fù)合硅襯底被多層石墨烯樣品覆蓋部分以及未被 多層石墨烯樣品覆蓋部分的位于520波數(shù)附近的一階硅拉曼信號(hào)，被多層石墨烯樣品覆蓋 部分一階硅拉曼信號(hào)的強(qiáng)度被標(biāo)記為I (Sitj)，未被多層石墨烯樣品覆蓋部分一階硅拉曼信 號(hào)的強(qiáng)度被標(biāo)記為I (Sitl)，得到強(qiáng)度比值I (Si)/I (Sitl)的測(cè)試值； 步驟4:利用激光波長(zhǎng)、顯微物鏡數(shù)值孔徑、復(fù)合硅襯底SiO2層厚度和石墨烯復(fù)折射率 計(jì)算得到在此條件下強(qiáng)度比值I (Sitj)/I(Sitl)隨石墨烯層數(shù)變化關(guān)系的理論值，將該理論 值與測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比，得到多層石墨烯樣品的層數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法，其特征在 于，步驟4中所述顯微物鏡采用數(shù)值孔徑小于等于0. 55的長(zhǎng)工作距離物鏡。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法，其特征在 于，步驟3中所述測(cè)試使用的光柵分辨率優(yōu)于0. 5cm'
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法，其特征在 于，步驟3中所述測(cè)試時(shí)照射到樣品表面的激光功率低于0. 5mW，以便避免激光對(duì)樣品的加 熱效應(yīng)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法，其特征在 于，步驟3中所述硅一階拉曼信號(hào)強(qiáng)度I (Sitj)和I (Sitl)應(yīng)采用面積強(qiáng)度，以減小實(shí)驗(yàn)測(cè)試 誤差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法，其特征在 于，在步驟3測(cè)試I (Sitl)時(shí)，應(yīng)靠近所測(cè)樣品附近未被多層石墨烯覆蓋的區(qū)域，通過調(diào)節(jié)顯 微物鏡的聚焦旋鈕，獲得硅一階拉曼信號(hào)的最大強(qiáng)度I (Sitl)，然后直接將復(fù)合硅襯底平移 到附近的多層石墨烯區(qū)域，再次測(cè)量硅一階拉曼信號(hào)I(Si tj);在此過程中不要進(jìn)行再次聚 焦，以免兩次聚焦情況不同帶來的測(cè)量誤差。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方 法，其特征在于，石墨烯復(fù)折射率的不同選取會(huì)影響所測(cè)試層數(shù)的準(zhǔn)確性，在步 驟4中采用的石墨烯復(fù)折射率為M》.）=Ki(A) - fhCi)， 在 450nm_750nm 可見光范圍內(nèi)，可由以下公式擬合出來：111(1)=&61口(1^)+〇61口((1入）， 其 中 a = 47.64，b = -0.01434，c = 2.222，d = 0. 0003668 ；
L 412，!^= 1100, c 丄=505. 4, a 2= 0? 991，b 2= 437. 5, c 2 = 482. 2, a 3= 28. 7, b 3= -166. 8， C3=245. 2〇
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種測(cè)試復(fù)合硅襯底上多層石墨烯樣品層數(shù)的方法，包括如下步驟：利用橢圓偏光儀獲得SiO2/Si襯底表面SiO2層的厚度，在SiO2/Si襯底上通過微機(jī)械剝離方法或各種轉(zhuǎn)移方法獲得多層石墨烯樣品，利用顯微拉曼譜儀分別測(cè)試SiO2/Si襯底被和未被石墨烯樣品覆蓋部分的一階硅拉曼信號(hào)強(qiáng)度比I(SiG)/I(Si0)，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，即可確定多層石墨烯樣品層數(shù)。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法簡(jiǎn)單，不依賴于SiO2/Si襯底的取向和入射激光的偏振狀態(tài)，對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)具有普適性，適用于100層以內(nèi)多層石墨烯樣品的層數(shù)表征。
【IPC分類】G01N21-65
【公開號(hào)】CN104819973
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510151989
【發(fā)明人】譚平恒, 李曉莉, 韓文鵬, 喬曉粉
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
【公開日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年4月1日