CN103528961B - 一种透明基底上石墨烯层数测量方法 - Google Patents

一种透明基底上石墨烯层数测量方法 Download PDF

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Abstract

一种透明基底上石墨烯层数测量方法，属于材料技术领域，涉及通过石墨烯偏振依赖光学性质来测量石墨烯的层数。首先将石墨烯转移到透明基底上；然后通过折射率匹配液将石英片贴附于棱镜表面；将光束聚焦照射到覆盖有石墨烯的位置，出射光分成s和p偏振分别照射到平衡探测器的两个探头；控制位移平台与平衡探测器对石墨烯样品进行扫描，得到光斑位置与平衡探测器的电压信号；最后对采集结果进行信号分析处理，获得石墨烯层数信息。采用本发明的方法，能够灵活、方便得对透明基底上的石墨烯层数进行测量。

Description

一种透明基底上石墨烯层数测量方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯层数测量方法，特别涉及一种透明基底上对机械剥离和化学气象沉积法制备的石墨烯的层数测量方法，属于材料技术领域。
背景技术
石墨烯在电、光和磁等方面都具有很多非常优异的性能：如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性及高的电子迁移率等；同时其机械性能优异，杨氏模量达1.0TPa；热导率为5300W·m-1·K-1，是铜热导率的10多倍；几乎完全透明，对光只有2.3％的吸收。目前通过机械剥离法和化学气象沉积法制备的石墨烯在使用前需要确定石墨烯的层数，以及石墨烯样品的均匀性。目前多采用拉曼光谱、原子力显微、光学成像等方法进行石墨烯层数的测量，然而这些方法各自的适用范围比较窄，比如拉曼光谱比较适合单层CVD的石墨烯和机械剥离的石墨烯，原子力只适用于机械剥离的石墨烯。因此，一种适用范围广、精度高的石墨烯层数方法对石墨烯的应用有着重要的意义。此外，目前石墨烯在透明电极、触摸屏、光电探测等方面应用时多在透明基底上，因此，对透明基底上石墨烯层数的测定变得更为重要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种透明基底上石墨烯层数的测量方法。利用石墨烯在全内反射结构下对不同偏振光吸收的不同，利用平衡探测器，精确的测定该样品不同偏振下吸收率的变化，从而确定石墨烯的层数。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种透明基底上石墨烯层数测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯转移或直接制备到透明基底上；
步骤2：通过折射率匹配液将透明基底帖附于棱镜表面，透明基底没有石墨烯的一面与棱镜接触；
步骤3：将带有石墨烯的棱镜置于移动平台上，光束通过玻片后产生圆偏振光，通过棱镜、折射率匹配液和透明基底，在透明基底／石墨烯／空气界面发生全反射，最后将反射的光束利用偏振分束器分束，分出的两种偏振光分别照射在平衡探测器的两个探头；
步骤4：利用平衡探测器对电压信号进行采集，同时控制平台与平衡探测器对石墨烯样品进行扫描，得到一系列光斑位置与平衡探测器的电压信号；
步骤5：将电压信号转换为偏振光吸收率之差，根据测量装置的具体参数(如棱镜、石英片折射率等)，利用菲涅耳公式计算出不同层数石墨烯对应的吸收率之差；
步骤6：最后将实验测得的吸收率之差与理论值进行对比从而得到石墨烯的层数。
上述方案中，所述的所述的石墨烯样品可以为化学气相沉积方法获得或由机械剥离法获得。
上述方案中，透明基底的透明光谱范围为可见波段或近红外波段，如石英片等刚性材料，或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等柔性材料。
上述方案中，移动平台可以为一维或二维方向的移动，从而获得石墨烯层数的形貌信息。
本发明的有益效果是：
(1)对透明基底上石墨烯的层数进行精确的测定，同时适用于CVD法和机械剥离法制备的石墨烯样品；
(2)通过一维或二维的样品移动扫描，可以获得石墨烯样品层数分布的线阵或面阵图像，以确定石墨烯的均匀性。
附图说明
图1为本发明的示意图，光通过棱镜，在石墨烯所在的面发生全反射，当光束没有照到石墨烯上时(区域I)，出射光两个偏振方向的吸收变化没有区别，吸收率差的信号为零，当光束照射到石墨烯(区域III)或部分照射到石墨烯时(区域II)，不同偏振的吸收发生变化，吸收率差的信号增强。
图2具体的石墨烯层数测量光路图。
图3三层和五层机械剥离石墨烯样品的测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
测量石英基底上三层和五层机械剥离石墨烯的层数，包括以下步骤：
1)将待测的石墨烯薄膜转移到石英片；
2)通过折射率匹配液将石英片帖附于棱镜表面，石英片没有石墨烯的一面与棱镜接触，折射率匹配液应与棱镜的折射率相近；
3)搭建光路如图2所示，将样品置于微动平台上，激光器(532nm)光束通过玻片后产生圆偏振光，光束(或经过聚焦，聚焦透镜的选择可根据石墨烯大小进行选择)通过棱镜、折射率匹配液和石英片，在石英片／石墨烯／空气界面发生全反射，最后将反射的光束利用偏振分束器分束，分出的两种偏振光(TE和TM)分别照射在平衡探测器的两个探头上；
4)利用计算机同时控制平台与平衡探测器对石墨烯样品进行扫描，得到一系列光斑位置与平衡探测器的电压信号(如图1所示)，扫描前在光斑未照射到石墨烯的位置(如图1中I的位置)测量偏振分束器分出的一束光的功率P0(此时P0=PTE=PTM)；
5)根据公式(其中V和α分别为平衡探测器的电压和响应)将电压信号转换为偏振光吸收率之差ΔA；
6)根据测量装置的具体参数(如棱镜、石英片折射率等)，利用菲涅耳公式计算出不同层数石墨烯对应的ΔA；
7)最后将实验测得的吸收率之差ΔA与理论值进行对比从而得到石墨烯的层数(图3)。

Claims (4)

1.一种透明基底上石墨烯层数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将石墨烯转移或直接制备到透明基底上；
步骤2：通过折射率匹配液将透明基底帖附于棱镜表面，透明基底没有石墨烯的一面与棱镜接触；
步骤3：将带有石墨烯的棱镜置于移动平台上，光束通过玻片后产生圆偏振光，通过棱镜、折射率匹配液和透明基底，在透明基底/石墨烯/空气界面发生全反射，最后将反射的光束利用偏振分束器分束，分出的两种偏振光分别照射在平衡探测器的两个探头；
步骤4：利用平衡探测器对电压信号进行采集，同时控制平台与平衡探测器对石墨烯样品进行扫描，得到一系列光斑位置与平衡探测器的电压信号；
步骤5：将电压信号转换为偏振光吸收率之差，根据测量装置的具体参数，利用菲涅耳公式计算出不同层数石墨烯对应的吸收率之差；
步骤6：最后将实验测得的吸收率之差与理论值进行对比从而得到石墨烯的层数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的石墨烯可以为化学气相沉积方法获得或由机械剥离法获得。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的透明基底的透明光谱范围为可见波段或近红外波段。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的移动平台可以为一维或二维方向的移动，从而获得石墨烯层数的形貌信息。
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