半導體所發現可鑒別多層石墨烯層數多達100層的新方法

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料。由於其獨特的二維結構和優異的晶體學質量，石墨烯蘊含了豐富而新奇的物理現象，使其迅速成為凝聚態物理領域近年來的研究熱點之一。單層石墨烯可以逐層按不同方式堆垛成多層石墨烯，每一種多層石墨烯材料都顯示出獨特的電子能帶結構和物理特性。確定多層石墨烯的層數對於研究此類材料的物理性質和它們在半導體器件方麵的應用有重要意義。目前，英國、美國、韓國等多國正著手推動石墨烯的產業化。我國是石墨烯研究和應用開發最為活躍的國家之一。很多產業化生產的石墨烯產品都是多層石墨烯，而且石墨烯的晶體質量也千差萬別，甚至有些廠家把粉體石墨充當石墨烯進行銷售。如何快速確定不同產品質量的石墨烯層數並建立相關的國家標準對於引導和促進我國石墨烯產業健康和有序發展非常重要。

目前常用的各種測試多層石墨烯層數的方法存在諸多限製。例如，利用原子力顯微鏡可以直接對多層石墨烯樣品的厚度進行測量，但是由於其單層材料的厚度通常隻有納米甚至埃的量級，原子力顯微鏡的測試結果容易受到襯底粗糙度以及樣品表麵吸附等因素的影響，這導致測試結果往往存在較大偏差，且測試效率不高。利用光學襯度的方法可以有效地對單層及少層石墨烯樣品進行層數表征，但是隨著層數增加，相鄰層數樣品之間的反射光譜差別越來越小，這時已經不足以準確表征更多層數的多層石墨烯樣品。另外，利用多層石墨烯樣品本身的拉曼特征模式也可以測試樣品層數，但是根據2D模的峰型變化或者根據剪切模的峰位至多可鑒別到5層的石墨烯樣品，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，導致層數測試方法的失效。

最近，中國科學院半導體研究所研究員譚平恒和其博士生李曉莉等人提出了利用支撐石墨烯的多層介質襯底拉曼振動模的強度來測試放置於這種多層介質襯底上的石墨烯樣品層數。激光從空氣中穿過石墨烯進入多層介質襯底，激光的強度會被多層石墨烯部分吸收，同時，激光在石墨烯與多層介質襯底組成的複合體係中會發生多次反射和幹涉，結果入射到襯底的激光強度還會受反射和幹涉的影響。同時，襯底被激光所激發的拉曼信號通過介質層又會進一步發生多次反射和幹涉並受到石墨烯層的吸收，最後被顯微物鏡收集和探測。因此，被石墨烯覆蓋的(I(SiG))和未被石墨烯覆蓋的(I(Si0))襯底拉曼信號的強度比I(SiG)/I(Si0)與石墨烯的層數密切相關並成單調變化關係，可以用來鑒別石墨烯的層數。研究組以普遍使用的SiO2/Si襯底為實例，利用傳輸矩陣方法分析了石墨烯層數、二氧化矽層厚度、顯微物鏡數值孔徑和襯底拉曼張量等對I(SiG)/I(Si0)的影響，發現當物鏡數值孔徑小於0.5時，理論曲線與實驗結果吻合很好，可確定多層石墨烯樣品層數。研究組也研究了離子注入引入缺陷的多層石墨烯，發現I(SiG)/I(Si0)數值與缺陷的存在關係不大。因此，該方法能避免樣品中缺陷以及樣品層間堆垛方式不同等因素對層數測量的影響，並對100層以內樣品的層數表征具有很高的準確性。同時，該方法實驗測試簡單，不依賴於SiO2/Si襯底的取向和入射激光的偏振狀態，對不同的實驗測試係統具有普適性。該研究工作近期在線發表於Nanoscale。

利用I(SiG)/I(Si0)可以快速和無損地測試SiO2/Si襯底上多層石墨烯樣品層數，不涉及到強度校正並且操作方法簡單易行。該方法可適用於機械剝離、化學氣相沉積等多種方法製備的具有微米級大小的石墨烯材料產品的層數鑒別。根據國家標準化管理委員綜合[2014]67號公告，譚平恒等提出的《拉曼光譜法表征石墨烯層數》等四項國家標準已正式批準立項，並於2015年4月14日在北京召開了這四項標準的啟動會，以期在石墨烯這種新型納米材料的術語與定義、製備方法等方麵製定科學標準，引導和促進我國石墨烯產業健康和有序發展。該項工作的發表將有利於快速推動《拉曼光譜法表征石墨烯層數》國家標準的製定工作，同時為其他二維材料的層數鑒別提供了參考。該工作得到了國家自然科學基金和國家傑出青年基金的支持。

　　圖示：利用I(SiG)/I(Si0)來測試SiO2/Si襯底上多層石墨烯樣品層數的示意圖以及相應的理論模擬和測試結果。