CN105527243A - 一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，属于太赫兹光谱检测技术应用领域。该方法包括以下步骤：S1：调节获得适应于测量薄膜的太赫兹时域光谱***光路；S2：测量获取基底材料的太赫兹时域波谱信号；S3：测量获取转移石墨烯薄膜后基底材料的太赫兹时域波谱信号；S4：根据步骤S2和S3采集的信号，利用公式计算太赫兹波段石墨烯电导；S5：建立通过太赫兹光谱技术获得的电导与采用传统的四探针方法获得的电导之间标准关系曲线，获得关联因子；根据关联因子，获得在可见光波段石墨烯电导。该方法适合对转移到半导体或高分子基底上的石墨烯进行检测，同时也适合推广到其他半导体薄膜电导的检测。

Description

一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法

技术领域

本发明属于太赫兹光谱检测技术应用领域，涉及一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法。

背景技术

石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维薄膜材料，具有高机械强度，高透光性，高导热性，高导电性。在单原子层石墨烯结构中，每个碳原子都是sp2杂化，都能贡献一个未成键的p轨道电子，形成了离域的大π键。这些电子能够在近乎完美的石墨烯平面上自由移动，因此赋予了使石墨烯很好的导电性能，其理论电导率为10⁶S/m，是目前所发现的导电性最优异的材料。石墨烯的高电导是石墨烯材料在电子领域应用的最关键因素之一。然而，实验上由于制备的石墨烯存在缺陷，其实际电导要比理论值低得多，而且，由于制备方法的差异，导致石墨烯薄膜的电导存在很大差异。因此，精确测定石墨烯电导具有很强实际应用价值。目前较常用的测量石墨烯电导的方法主要为四探针电阻测量方法，存在操作繁琐、速率较低、并可能对材料带来接触损伤，因此建立一种非接触式、快速准确的检测方法是目前迫切需要的。

太赫兹光谱是一种频率在0.1～10.0THz，波长在30um～3mm应用领域广阔的探测和成像技术，具有非接触、成像速率快、包含时域和相位信息、测量光路可调(透射、反射模式)等特点。由于石墨烯薄膜材料的声子振动能级落在THz波段范围，太赫兹光谱可用于石墨烯薄膜材料载流子迁移率、电导的计算。太赫兹时域光谱技术测量石墨烯薄膜电导的技术原理是基于菲涅尔公式和Tinkham薄膜透射方程，推导得到石墨烯薄膜电导可以表达为太赫兹波分别传输通过转移有石墨烯薄膜的基底材料和无石墨烯薄膜的基底材料的透射信号的比值以及基底材料的介电常数的函数，而太赫兹波分别传输通过转移有石墨烯的基底材料和无石墨烯的基底材料的透射信号可以通过太赫兹时域光谱测量和经过傅立叶变换得到，从而可以计算出石墨烯在太赫兹频段的电导。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，该方法适合对转移到半导体或高分子基底上的石墨烯进行检测，同时也适合推广到其他半导体薄膜电导的检测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，包括以下步骤：

S1：调节获得适应于测量薄膜的太赫兹时域光谱***光路；

S2：测量获取基底材料的太赫兹时域波谱信号；

S3：测量获取转移石墨烯薄膜后基底材料的太赫兹时域波谱信号；

S4：根据步骤S2和S3采集的信号，利用公式计算太赫兹波段石墨烯电导；

S5：建立通过太赫兹光谱技术获得的电导与采用传统的四探针方法获得的电导之间标准关系曲线，获得关联因子；根据关联因子，获得在可见光波段石墨烯电导。

进一步，在步骤S1中，所述调节光路包含太赫兹测量***光路的准直、焦点的确定。

进一步，所述步骤S2和S3在室温环境下进行，空气作除湿处理或不作除湿处理均可；所述步骤S2和S3中获取的太赫兹时域光谱信号包含多次回波脉冲信号。

进一步，在步骤S2中，所述基底材料要求具有良好的太赫兹波透过率，包括但不限于高阻硅。

进一步，在步骤S3中，所述转移石墨烯薄膜后基底材料包括石墨烯薄膜层加上基底材料层。

进一步，步骤S4中的公式是基于菲涅尔公式和Tinkham薄膜透射方程推导得到的；由太赫兹时域光谱上每个回波推导的薄膜层电导计算公式具有差异，根据第一回波推导公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{s,1}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{n_A}{z_0}\[\frac{1}{T_{film}\left(\mathrm{\ω}\right)}-1\]$

其中n_A＝n_Si+1，n_Si＝3.42，n_Si示硅的折射率；Z₀＝377Ω，为硅的真空电阻抗；表示薄膜的传递函数，E_{out，1，Ｇ}(ω)和E_out，1，Si(ω)分别代表附有石墨烯基底和无石墨烯基底部分的一次回波获得的时域波谱傅里叶变换后得到的太赫兹波能量强度值；

由第二回波推导公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{s,2}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\±n_A\sqrt{n_A^2+4n_A{n}_{B}T\left(\mathrm{\ω}\right)+4n_B^{2}T\left(\mathrm{\ω}\right)}-n_A^2-2n_A{n}_{B}T\left(\mathrm{\ω}\right)}{2n_B{Z}_{0}T\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中n_A＝n_Si+1，nB＝n_Si-1，n_Si＝3.42，Z₀＝377Ω，E_out，2，G(ω)和E_out，2，Si(ω)分别代表附有石墨烯基底和无石墨烯基底部分的由二次回波获得的时域波谱傅里叶变换后得到的太赫兹波能量强度值。

进一步，步骤S5中关联因子为通过太赫兹光谱技术法和四探针法多次测量对比分析所得，对同种材料形成的基底和薄膜，关联因子只需确定一次，一旦获得关联因子，本方法只需包含S1～S4四个步骤。

本发明的有益效果在于：本发明利用太赫兹时域光谱***获取石墨烯薄膜及基底的太赫兹时域光谱信息，利用公式通过计算获得其电导。特别的，根据公式计算完样品所有采集区域的电导，根据电导分布图可以判定石墨烯的质量好坏。本发明对实现石墨烯薄膜无损检测具体有较大意义。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为太赫兹时域光谱测试***示意图；

图2为硅基底和转移有石墨烯薄膜基底的太赫兹时域光谱；

图3为实施例中计算的石墨烯薄膜的电导。

具体实施方式

本专利所声称的石墨烯薄膜层是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，基于太赫兹时域光谱的检测方法不仅仅局限于石墨烯，也可以是其他半导体薄膜层，只要求薄膜层的厚度远小于基底层厚度。

本发明所述方法包括以下步骤：S1：调节获得适应于测量薄膜的太赫兹时域光谱***光路；S2：测量获取基底材料的太赫兹时域波谱信号；S3：测量获取转移石墨烯薄膜后基底的材料太赫兹时域波谱信号；S4：根据S2和S3采集的信号，利用公式计算太赫兹波段石墨烯电导；S5：建立通过太赫兹光谱技术获得的电导与采用传统的四探针方法获得的电导之间标准关系曲线，获得关联因子；根据关联因子，获得在可见光波段石墨烯电导。

上述步骤S1中的太赫兹传播方向与样品方向垂直，样品位于太赫兹波传播光路的焦点上；上述步骤S2和S3中获得的时域光谱信号是在室温非干燥空气条件下测量获得的；时域光谱信号至少包含未在硅基底内反射(第一回波)和由于太赫兹波在硅基底内进行两次反射而产生的(第二回波)的信号。

步骤S4中分别选择时域信号中第一回波和第二回波脉冲信号进行接下来的计算分析。将截取的时域信号进行傅里叶变化，提取出太赫兹波能量信息，并结合已知的硅的折射率等信息计算样品的电导，由第一回波进行计算的公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{s,1}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{n_A}{z_0}\[\frac{1}{T_{film}\left(\mathrm{\ω}\right)}-1\]$

其中n_A＝n_Si+1，n_Si＝3.42，n_Si表示硅的折射率；Z₀＝377Ω，为硅的真空电阻抗；表示薄膜的传递函数，E_out，1，G(ω)和E_out，1，Si(ω)分别代表附有石墨烯基底和无石墨烯基底部分的一次回波获得的时域波谱傅里叶变换后得到的太赫兹波能量强度值。由第二回波进行计算的公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{s,2}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\±n_A\sqrt{n_A^2+4n_A{n}_{B}T\left(\mathrm{\ω}\right)+4n_B^{2}T\left(\mathrm{\ω}\right)}-n_A^2-2n_A{n}_{B}T\left(\mathrm{\ω}\right)}{2n_B{Z}_{0}T\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中n_A＝n_Si+1，n_B＝n_Si-1，n_Si＝3.42，Z₀＝377Ω，E_out，2，G(ω)和E_out，2，Si(ω)分别代表附有石墨烯和只有硅基底部分的由两次反射获得的时域波谱傅里叶变换后得到的太赫兹波能量强度值。

步骤S5中，由于石墨烯电导有频率依赖性，太赫兹时域光谱技术测量的电导是在太赫兹频段的电导，而一般实验上所说的电导是指在可见光频段的电导。为将通过太赫兹时域光谱技术获得的测量值与实验值对应，需进行多次石墨烯电导的太赫兹光谱技术测量和四探针方法测量，将每一次由两种方法获得的电导数据在x-y坐标轴内对应，获得两者之间标准关系曲线，确定关联因子；根据关联因子，获得在可见光波段石墨烯电导。对同种材料形成的基底和薄膜，关联因子只需确定一次，一旦获得关联因子，S5步骤可以省去。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本实施例中所述的太赫兹光谱成像***包括：太赫兹源、探测器、样品支架及主控电脑等。样品固定于支架上，采用透射模式，在室温非干燥的空气氛围中扫描样品并获取太赫兹时域波谱，黑色为基底信号，灰色为附有石墨烯薄膜基底的信号，如图2所示。

将提取的太赫兹时域信号中代表一次回波和二次回波的信号分别进行傅里叶变化，随后，根据傅里叶变化得到的数据，由一次回波变化而来的利用公式计算，得到石墨烯薄膜电导为2.81±0.67mS；由二次回波变化而来的利用公式：

${\mathrm{\σ}}_{s,2}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\±n_A\sqrt{n_A^2+4n_A{n}_{B}T\left(\mathrm{\ω}\right)+4n_B^{2}T\left(\mathrm{\ω}\right)}-n_A^2-2n_A{n}_{B}T\left(\mathrm{\ω}\right)}{2n_A{Z}_{0}T\left(\mathrm{\ω}\right)}$ 计算，得到石墨烯薄膜电导为2.71±0.36mS。如图3所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：调节获得适应于测量薄膜的太赫兹时域光谱***光路；

S2：测量获取基底材料的太赫兹时域波谱信号；

S3：测量获取转移石墨烯薄膜后基底材料的太赫兹时域波谱信号；

S4：根据步骤S2和S3采集的信号，利用公式计算太赫兹波段石墨烯电导；

S5：建立通过太赫兹光谱技术获得的电导与采用传统的四探针方法获得的电导之间标准关系曲线，获得关联因子；根据关联因子，获得在可见光波段石墨烯电导。

2.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，其特征在于：在步骤S1中，所述调节光路包含太赫兹测量***光路的准直、焦点的确定。

3.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，其特征在于：所述步骤S2和S3在室温环境下进行，空气作除湿处理或不作除湿处理均可；所述步骤S2和S3中获取的太赫兹时域光谱信号包含多次回波脉冲信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，其特征在于：在步骤S2中，所述基底材料要求具有良好的太赫兹波透过率，包括但不限于高阻硅。

5.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，其特征在于：在步骤S3中，所述转移石墨烯薄膜后基底材料包括石墨烯薄膜层加上基底材料层。

6.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，其特征在于：步骤S4中的公式是基于菲涅尔公式和Tinkham薄膜透射方程推导得到的；由太赫兹时域光谱上每个回波推导的薄膜层电导计算公式具有差异，根据第一回波推导公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{s,1}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{n_A}{z_0}\[\frac{1}{T_{film}\left(\mathrm{\ω}\right)}-1\]$

其中n_A＝n_Si+1，n_Si＝3.42，n_Si表示硅的折射率；Z₀＝377Ω，为硅的真空电阻抗；表示薄膜的传递函数，E_out，1，G(ω)和E_out，1，Si(ω)分别代表附有石墨烯基底和无石墨烯基底部分的一次回波获得的时域波谱傅里叶变换后得到的太赫兹波能量强度值；

由第二回波推导公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{s,2}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{\±n_A\sqrt{n_A^2+4n_A{n}_{B}T\left(\mathrm{\ω}\right)+4n_B^{2}T\left(\mathrm{\ω}\right)}-n_A^2-2n_A{n}_{B}T\left(\mathrm{\ω}\right)}{2n_B{Z}_{O}T\left(\mathrm{\ω}\right)}$

其中n_A＝n_Si+1，n_B＝n_Si-1，n_Si＝3.42，Z₀＝377Ω，E_out，2，G(ω)和E_out，2，Si(ω)分别代表附有石墨烯基底和无石墨烯基底部分的由二次回波获得的时域波谱傅里叶变换后得到的太赫兹波能量强度值。

7.根据权利要求1所述的一种基于太赫兹光谱技术测量石墨烯薄膜电导的方法，其特征在于：步骤S5中关联因子为通过太赫兹光谱技术法和四探针法多次测量对比分析所得，对同种材料形成的基底和薄膜，关联因子只需确定一次，一旦获得关联因子，本方法只需包含S1～S4四个步骤。