標(biāo)記和檢測(cè)石墨烯層中的缺陷的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】標(biāo)記和檢測(cè)石墨烯層中的缺陷的方法和系統(tǒng)
[0001] 背景
[0002] 石墨烯（graphene)是通常包括鍵合的碳原子的一個(gè)原子厚層的材料。碳原子布 置為規(guī)則六邊形圖案。石墨烯具有相對(duì)高的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度?？赏ㄟ^(guò)使碳原子在過(guò)渡金 屬襯底上生長(zhǎng)隨后轉(zhuǎn)移至終襯底比如二氧化硅，形成石墨烯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在一種實(shí)施方式中，標(biāo)記石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷的方法可包括提供具有至 少部分被石墨烯層覆蓋的表面的襯底；和使襯底接觸指示劑，所述指示劑選擇性結(jié)合由石 墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，以標(biāo)記一個(gè)或多個(gè)缺陷。
[0004] 在一種實(shí)施方式中，標(biāo)記石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷的系統(tǒng)可包括：襯底，其具 有至少部分被石墨烯層覆蓋的表面；和第一貯器，其包含指示劑的溶液，所述指示劑選擇性 結(jié)合由一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，以標(biāo)記一個(gè)或多個(gè)缺陷，并且所述 第一貯器配置為使襯底接觸熒光團(tuán)的溶液。
[0005] 在一種實(shí)施方式中，檢查石墨烯層的一個(gè)或多個(gè)缺陷的方法可包括：提供具有至 少部分被石墨烯層覆蓋的表面的襯底；使襯底接觸熒光團(tuán)，所述熒光團(tuán)選擇性結(jié)合由石墨 烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，以標(biāo)記一個(gè)或多個(gè)缺陷；使襯底 暴露于輻射，其在由一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域處從熒光團(tuán)有效產(chǎn)生可 檢測(cè)的熒光響應(yīng)；和監(jiān)測(cè)熒光團(tuán)的熒光響應(yīng)，其中檢測(cè)到的熒光響應(yīng)鑒定一個(gè)或多個(gè)缺陷 和沒(méi)有熒光響應(yīng)指示沒(méi)有一個(gè)或多個(gè)缺陷。
[0006] 在一種實(shí)施方式中，檢查石墨烯層的一個(gè)或多個(gè)缺陷的系統(tǒng)可包括：襯底，其具有 至少部分被石墨烯層覆蓋的表面；第一貯器，其包含熒光團(tuán)的溶液，所述熒光團(tuán)選擇性結(jié)合 由一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，并且所述第一貯器配置為使襯底接觸熒 光團(tuán)的溶液；輻射源，其配置為照射襯底，以在由一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè) 區(qū)域處從熒光團(tuán)產(chǎn)生可檢測(cè)的熒光響應(yīng)；和檢測(cè)器，其配置為監(jiān)測(cè)熒光團(tuán)的熒光響應(yīng)，其中 檢測(cè)到的熒光響應(yīng)鑒定一個(gè)或多個(gè)缺陷和沒(méi)有熒光響應(yīng)指示沒(méi)有一個(gè)或多個(gè)缺陷。
[0007] 在一種實(shí)施方式中，標(biāo)記襯底表面上的石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷的工具箱可 包括：熒光團(tuán)，其選擇性結(jié)合由石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū) 域，以標(biāo)記一個(gè)或多個(gè)缺陷；和包括使襯底接觸熒光團(tuán)的溶液的一組指令。
[0008] 在一種實(shí)施方式中，標(biāo)記的樣品可包括襯底，其具有至少部分被石墨烯層覆蓋的 表面；和在由石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域處的熒光團(tuán)，以 標(biāo)記一個(gè)或多個(gè)缺陷。
[0009] 在一種實(shí)施方式中，預(yù)處理的樣品可包括：襯底，其具有至少部分被石墨烯層覆蓋 的表面；和在由石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域處的氨基硅 烷，以預(yù)處理用于結(jié)合熒光團(tuán)的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。
[0010] 附圖簡(jiǎn)述
[0011] 圖1圖解了根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施方式使用硅烷熒光團(tuán)標(biāo)記由石墨烯層中的缺陷 暴露的襯底的表面；
[0012] 圖2圖解了根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施方式使用氨基芘衍生物熒光團(tuán)標(biāo)記由石墨烯層 中的缺陷暴露的襯底的表面。
[0013] 圖3圖解了根據(jù)本文公開(kāi)的實(shí)施方式檢查石墨烯層的一個(gè)或多個(gè)缺陷的方法的 流程圖。
[0014] 發(fā)明詳述
[0015] 本公開(kāi)不限于描述的具體方法、系統(tǒng)和工具箱，因?yàn)檫@些可以改變。在本說(shuō)明書中 使用的術(shù)語(yǔ)是僅僅為了描述具體形式或?qū)嵤┓绞降哪康模⑶也恢荚谙拗品秶?br>[0016] 本文公開(kāi)了使用熒光團(tuán)標(biāo)記和鑒定襯底表面上的石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷 的方法、系統(tǒng)和工具箱。熒光團(tuán)可通過(guò)結(jié)合由石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的下部襯 底表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域定位在一個(gè)或多個(gè)缺陷處。通過(guò)使襯底暴露于輻射和檢測(cè)熒光團(tuán) 對(duì)輻射的熒光響應(yīng)，可鑒定一個(gè)或多個(gè)缺陷。檢測(cè)到的熒光響應(yīng)可鑒定石墨烯層中存在一 個(gè)或多個(gè)缺陷。相反，沒(méi)有熒光響應(yīng)可指示石墨烯層中沒(méi)有一個(gè)或多個(gè)缺陷。
[0017] 標(biāo)iP,和鑒宙石墨燔層中的缺陷的方法
[0018] 在一種實(shí)施方式中，標(biāo)記石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷的方法可包括提供襯底， 其在襯底上具有石墨烯層。在一些情況下，標(biāo)記的方法可用作質(zhì)量控制測(cè)試，以評(píng)估石墨烯 層有或沒(méi)有缺陷。標(biāo)記可用指示劑比如熒光團(tuán)標(biāo)示一個(gè)或多個(gè)缺陷的位置，可通過(guò)觀察熒 光團(tuán)對(duì)輻射的熒光響應(yīng)檢測(cè)所述指示劑。其他指示劑可以是染料、放射性同位素或量子點(diǎn) (quantum dot)。石墨稀層可至少部分覆蓋襯底的表面，并且可具有暴露下部襯底表面的一 個(gè)或多個(gè)區(qū)域的一個(gè)或多個(gè)缺陷。一個(gè)或多個(gè)缺陷可包括在石墨烯層的生產(chǎn)和處理期間在 石墨烯層中形成的裂縫或空隙。方法可進(jìn)一步包括使襯底接觸熒光團(tuán)，其選擇性結(jié)合由一 個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域，以標(biāo)記一個(gè)或多個(gè)缺陷。在一種實(shí)施方式中， 在使襯底接觸熒光團(tuán)之后，襯底可接觸沖洗液，以從石墨烯層去除任何未定位的熒光團(tuán)。為 了鑒定熒光團(tuán)標(biāo)記的缺陷，方法可進(jìn)一步包括使襯底暴露于輻射，其在由一個(gè)或多個(gè)缺陷 暴露的表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域處從熒光團(tuán)有效產(chǎn)生可檢測(cè)的熒光響應(yīng)，和監(jiān)測(cè)熒光團(tuán)的熒 光響應(yīng)。檢測(cè)到的熒光響應(yīng)可鑒定一個(gè)或多個(gè)缺陷，和沒(méi)有熒光響應(yīng)可指示石墨烯層中沒(méi) 有一個(gè)或多個(gè)缺陷。
[0019] 在一種實(shí)施方式中，襯底可以是無(wú)機(jī)極性襯底。當(dāng)襯底是極性襯底時(shí)，襯底可具有 吸附在表面的偶極基團(tuán)，例如，羥基基團(tuán)。在一種實(shí)施方式中，襯底可選自玻璃、石英、二氧 化硅、表面氧化的硅、過(guò)渡金屬氧化物、表面氧化的過(guò)渡金屬、氧化鋁和其組合。
[0020] 在一種實(shí)施方式中，焚光團(tuán)可以是式I表不的硅烷焚光團(tuán)：
[0021] C16H9-N = CH-(CH2)x-CH = N-(CH2)w-SiV0 z) [0 (CH2) YCH3] z-----(I)
[0022] 其中V是-H或-(CH2)UCH3, U是0至2的整數(shù)，W是0至3的整數(shù)，X是0至3 的整數(shù)，Y是〇至2的整數(shù)，和Z是1至3的整數(shù)。在一種實(shí)施方式中，硅烷熒光團(tuán)可以 是 C16H9-N = CH-(CH2)3-CH = N-(CH2)3-Si (OCH2CH3)3。在一種實(shí)施方式中，可通過(guò)下述形 成硅烷熒光團(tuán)：使二醛CHO-(CH2)x-CHO接觸氨基芘C16H 9-NH2，以形成氨基芘衍生物熒光 團(tuán)C16H9-N = CH-(CH2)x-CHO,和使氨基芘衍生物熒光團(tuán)接觸氨基硅烷NH2-(CH 2)w-SiV0 z)[0(CH2) YCH3]z，以形成硅烷熒光團(tuán)。二醛可選自乙二醛CH0-CH0、丙二醛CH0-CH 2-CH0、琥珀 醛CHO-(CH2) 2-CH0、戊二醛CHO-(CH2) 3-CH0,和其組合。氨基硅烷可選自氨基三乙氧基硅烷 NH2-Si [0 ((?) CH3] 3、氛乙基二乙氧基硅烷NH- ((?) 2_Si [0 ((?) CH3] 3、氛基丙基二乙氧基娃 烷NH- (CH2) 3-Si [0 (CH2) CH3] 3、氨乙基三甲氧基硅烷NH- (CH2) 2-Si [OCH3] 3、氨基丙基三甲氧 基硅烷NH-(CH2) 3-Si [OCH3] 3、氨基丙基甲基二乙氧基硅烷NH-(CH2) 3-Si (CH3) [OCH3] 2，和其 組合。在一種實(shí)施方式中，二醛可以是戊二醛CHO-(CH2)3-CHO,氨基芘衍生物熒光團(tuán)可以是 C16H9-N = CH- (CH2) 3-CH0,和氛基石圭燒可以是氛基丙基二乙氧基石圭燒NH2- (CH2) 3_Si [0 (CH2) CH3]3，如在下面樣品反應(yīng)方案（A)和（B)中使用。
[0025] 圖1圖解了硅烷熒光團(tuán)18至二氧化硅襯底10的結(jié)合，如在公開(kāi)的實(shí)施方式中描 述的。襯底10在襯底10的表面上可具有石墨稀層12。石墨稀層中的缺陷14可暴露下部 襯底10表面的區(qū)域15。當(dāng)二氧化硅襯底是極性的時(shí)候，其可具有吸附在表面的偶極基團(tuán)比 如羥基基團(tuán)（未顯示）。不被理論限制，由于硅烷熒光團(tuán)18中存在的氨基硅烷部分，硅烷熒 光團(tuán)18可優(yōu)選結(jié)合表面的暴露區(qū)域15并且不結(jié)合石墨烯層12。連接至氨基硅烷部分中 硅原子的烷氧基基團(tuán)可與吸附在襯底10表面的羥基基團(tuán)（未顯示）反應(yīng)，以將硅烷熒光團(tuán) 18化學(xué)結(jié)合至表面的暴露區(qū)域15。例如，如圖1中所顯示，硅烷熒光團(tuán)18可以是C16H9-N = CH-(CH2) 3-CH = N-(CH2) 3-Si (OCH2CH3) 3,其在氨基硅烷部分中具有乙氧基。乙氧基可與吸附 在襯底10表面的羥基基團(tuán)反應(yīng)，以經(jīng)氧原子將硅烷熒光團(tuán)18結(jié)合至表面的暴露區(qū)域15,同 時(shí)形成作為副產(chǎn)物的乙醇（未顯示）。因此，熒光團(tuán)18可附著至暴露區(qū)域15,并且不附著 至石墨稀層12,以標(biāo)記石墨稀層12中的缺陷14,降低了從襯底10濾去（leaching)的可能 性。
[0026] 在一種實(shí)施方式中，焚光團(tuán)可以是式II表不的氨基花衍生物焚光團(tuán)：
[0027] C16H9-N = CH- (CH2) x-CHO------(II)0
[0028] 其中熒光團(tuán)是氨基芘衍生物熒光團(tuán)，由石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的襯底 表面的至少一個(gè)或多個(gè)區(qū)域可包括具有式III的氨基硅烷：
[0029] NH2-(CH2)W-SiV0 z) [0(CH2)YCH3]z------(III)，
[0030] 其中V是-H或-(CH2)U是O至2的整數(shù)，W是O至3的整數(shù)，X是O至3的 整數(shù)，Y是O至2的整數(shù)，和Z是1至3的整數(shù)。在一種實(shí)施方式中，氨基芘衍生物熒光團(tuán) 可以是C16H9-N = CH-(CH2)x-CHO,和氨基硅烷可以是氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES) NH2-( CH2)3-Si[0CH2CH3]3。如本文公開(kāi)的，由于吸附在襯底表面的偶極基團(tuán)（例如，羥基基團(tuán)），氨 基硅烷可優(yōu)選結(jié)合由石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè)缺陷暴露的襯底表面的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。在 一種實(shí)施方式中，襯底可接觸氨基硅烷，以將氨基硅烷連接至由石墨烯層中的一個(gè)或多個(gè) 缺陷暴露的下部襯底表面的至少一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。襯底與氨基硅烷的接觸可在襯底接觸熒 光團(tuán)之前進(jìn)行。然后，氨基芘衍生物熒光團(tuán)可與連接至襯底的氨基硅烷反應(yīng)，以形成化學(xué) 結(jié)合至襯底的所得的硅烷熒光團(tuán)。因此，將理解，氨基硅烷可將氨基芘衍生物熒光團(tuán)化學(xué) 結(jié)合至襯底。在一種實(shí)施方式中，可通過(guò)如下形成氨基芘衍生物熒光團(tuán)：使二醛CHO-(CH2)x-CH0接觸氨基芘C16H9-NH2，以形成氨基芘衍生物熒光團(tuán)。二醛可選自乙二醛CH0-CH0、丙二 醛CHO-CH2-OKK琥珀醛CHO- (CH2) 2-CH0、戊二醛CHO- (CH2) 3-C