[发明专利]利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用光学显微镜图片精确判断石墨烯层数率的方法，特别是一种通过提取光学显微镜图像的G值来判断石墨烯层数率的方法，属于碳材料检测技术领域。

背景技术

石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。2004年，曼彻斯特大学AndreGeim教授领导的研究小组最先发现了石墨烯并立即引起了科学和工业界的广泛关注，石墨烯的发现者更于2010年获得了诺贝尔物理学奖。由于石墨烯平面内的碳原子结合力很强，很难被破坏，所以它具有很好的结构稳定性、热稳定性、以及化学稳定性。实验表明，石墨烯是现在世界上已知的最为牢固，韧性最好的材料。更为特殊的是，电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，有效质量接近于零，可以被近视认为是以光子的形式存在(速度是光速的1/300)。

伴随着石墨烯的发现，一系列奇特的物理现象也相继被发现，如异常的量子霍尔效应、由物理学精细结构常数所决定的石墨烯的吸收率及光导等。正由于这些特殊的性质，石墨烯在多个领域都有极其广泛的应用，如基于其优异的电学性能，可用于制备场效应晶体管等微电子器件；基于其高透光率、极高的导电性、超宽的光吸收范围(远红外到紫外)，可用于太阳能电池、光电探测器、调制器等光电器件等的开发和研究；基于其极高的比表面积(2630m²/g)，以及优秀的热、化学稳定性，可以用于作为储能器件，如锂离子电池，超级电容器等。

石墨烯的制备方法有很多种，如通过机械剥离法可以从石墨表面直接剥离出石墨烯，又比如可以通过加热裂解法在碳化硅晶体表面生长出石墨烯，通过化学气象沉积法(CVD)也可以在镍、铜等金属表面生长出单层和多层的石墨烯，另外通过氧化石墨并还原的方法也能得到大规模的石墨烯粉末。

在石墨烯的研究与应用过程中，精确地判断石墨烯的层数(层间距为0.34nm)和层数率是至关重要的。目前有多种方法可以判断石墨烯的厚度，如原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、对比度谱等。

但是还没有简单有效的判定石墨烯层数率的方法。目前仅有用原子力显微镜获得石墨烯的厚度，然后用统计厚度分布的方法统计石墨烯单层率，但是其效率很低。且样品与衬底之间的材质不同导致了单层样品的检测结果有误差。成本较高，而且必须用昂贵的原子力显微镜，在一定程度上局限了该方法的广泛使用。

在研究和生产过程中，要检测所获得样品的层数率和判断样品质量。因此，急需一种操作简单、效率高、误差小、对仪器设备要求不高且成本较低的方法来判断石墨烯的层数率。

发明内容

本发明提出一种利用光学显微镜图片精确判断石墨烯层数率的方法，以解决目前其他方法效率低、操作复杂、准确度不高、且成本较高等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法，

步骤一：利用显微镜拍下在特定衬底上石墨烯样品的光学图片以及相同光场下若干幅空衬底的光学图片；

步骤二：理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，并计算出不同厚度石墨烯在G刺激值范围内的对比度的平均值C₀

步骤三：使用matlab软件将多幅空衬底的光学图片上所有像素点的R、G、B三色的刺激值分别提取出来；

步骤四：将多幅空衬底的光学图片上所有像素点的G值取平均，得到G_衬底矩阵；

步骤五：将石墨烯样品上的G_石墨烯值与衬底的G_衬底值对应点之间进行比较，对应点之间进行比较有效减小了光场不均引起的误差，得出对比度值C＝(G_衬底-G_石墨烯)./G_衬底，其中，‘./’为matlab中矩阵对应元素点之间相除的符号；

步骤六：利用对比度值C做出概率分布图，将该对比度值C与理论计算的对比度值C₀进行比较，分辨出石墨烯不同层对应的峰位置；

步骤七：将概率分布图进行拟合，拟合得到分别对应不同层数的多个峰，并得到峰面积；

步骤八：利用得到的指定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法，判断石墨烯的层数率。

进一步地，步骤一中，空衬底的光学图片为若干副同样尺寸设置且在光场强度相同下进行采集的图片，特定衬底采用300nmSiO₂/Si衬底。

进一步地，步骤七中，使用数学软件将概率分布图进行拟合，如使用renishaw软件。