用于测试石墨烯传导性的装置和方法
【专利摘要】根据本发明，能够使用太赫兹波在短的时间内准确地检测石墨烯的氧化和还原区域，以测量所述石墨烯的传导性，从而能够减少测试石墨烯传导性所需的时间。此外，当在石墨烯中存在氧化区域时，氧化区域能够通过将电磁波照射到其上而立即被还原，以增加石墨烯传导性并且由此使恢复石墨所需的时间最少化。
【专利说明】
用于测试石墨烯传导性的装置和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于测试石墨烯传导性的装置和方法，更具体地说，涉及一种用 于通过检测石墨烯的氧化或还原区域来测试石墨烯传导性的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 石墨烯是以六边形晶格排列的碳原子的二维结构。尽管石墨烯的厚度较小 (~3.4 1)，但是其具有较高导电率、较高热导率和较高机械刚度。由于这样的特性，石墨烯 已经作为用于半导体器件的材料而备受关注，在不久的将来有可能替代硅。石墨烯的高导 电率和高机械刚度使得更容易生产柔性基板。基于这些物理性能，石墨烯已经作为能够替 代铟锡氧化物(ΙΤ0)的透明电极材料而受到关注。
[0003] 石墨烯氧化物由于其高溶解度而是稳定的。因此，石墨烯以其氧化物形式被储存 和运输，并且石墨烯氧化物被还原以用于需要导电石墨烯的场合。但是，石墨烯氧化物没有 完全被还原。在一些情况下，被还原的石墨烯氧化物再次被氧化。因此，用于石墨烯的检测 方法被认为是重要的。
[0004] 根据用于检测大批量生产的大面积石墨烯的常规方法，通过在将电流施加到石墨 烯后观察温度分布的变化来确定在石墨烯中存在或者不存在缺陷。大面积的石墨烯在部分 氧化时失去了其传导性。在这种情况下，电流的施加导致石墨烯的氧化和还原区域之间的 电阻差。不同的电阻值导致在施加电流时的发热量的差异，因此，缺陷区域(氧化区域)的热 分布与无缺陷区域(还原区域）的不同。通过使用热成像摄像机观察不同的热分布，能够确 定石墨稀是否有缺陷。
[0005] 但是，在通过其热分布监测缺陷区域时，不可能确定缺陷区域的实际位置和尺寸。 没有对用于测试大批量生产的石墨烯以确定石墨烯中的缺陷区域的位置和尺寸的更精确 的装置和方法的报告。
[0006] 在这一点上，韩国专利公开第10-2013-0114617号公开了使用紫外光测试石墨烯 基板的方法。然而，该方法需要暗室来使用紫外光，这对使用者而言是不便的，并且通过石 墨烯层的形成差异而不是石墨烯本身的导电率而利用石墨烯的紫外光透射，限制了其精确 性。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的问题
[0008] 因此，本发明的目的在于提供一种用于测试石墨烯传导性的装置和方法，其中使 用太赫兹(terahertz)波来测量石墨稀的传导性。
[0009] 用于解决问题的手段
[0010] 本发明的一个方面提供了一种用于测试石墨烯传导性的装置，包括光处理单元、 确定单元和显示单元，所述光处理单元用于将太赫兹波照射到石墨稀上并且接收被所述石 墨稀反射或者透射穿过所述石墨稀的太赫兹波，所述确定单元用于检测来自光处理单元的 太赫兹波，以检测石墨烯的氧化和还原区域，所述显示单元用于对在确定单元中处理的数 据进行成像。
[0011] 从光处理单元照射的太赫兹波可以垂直地透射穿过石墨烯。
[0012] 用于太赫兹波的光源可以是脉冲或连续类型的并且可以设置有多个，所述太赫兹 波可以具有30μπι到3mm的波长。
[00?3]光处理单元包括适配为固定石墨稀的固定部、布置在石墨稀固定部之上的光发射 器，并且包括适配为照射太赫兹波的光源和布置在石墨烯固定部之下以接收透射穿过所述 石墨稀的太赫兹波的光传感器。
[0014] 本发明的装置还包括可以恢复单元，所述恢复单元用于将电磁波照射到在确定单 元中检测到的石墨烯的氧化区域上，以还原所述氧化区域。
[0015] 所述电磁波可以包括紫外线、可见光和红外线区域中的所有波长。具体地，所述电 磁波可以具有160nm到2 · 5μπι的波长。
[0016] 本发明的另一方面提供了一种用于测试石墨烯传导性的方法，包括：
[0017] (a)将石墨稀固定到样品台，
[0018] (b)将太赫兹波照射到石墨烯上，
[0019] (c)检测石墨烯对太赫兹波的透射率，
[0020] (d)分析对所检测的太赫兹波的透射率以获得图像，和
[0021] (e)通过图像检测石墨烯的氧化区域。
[0022] 用于太赫兹波的光源可以是脉冲或者连续类型的，并且可以设置有多个。
[0023] 所述太赫兹波可以具有30μπι到3mm的波长。
[0024] 本发明的装置还可以包括将电磁波照射到在步骤(e)中检测到的石墨烯的氧化区 域上，以还原所述氧化区域。
[0025] 所述电磁波可以包括紫外线、可见光和红外线区域中的所有波长。具体地，所述电 磁波可以具有160nm到2 · 5μπι的波长。
[0026] 检测的目标石墨烯可以是电极器件或者透明电极。
[0027]本发明的效果
[0028] 根据本发明，将太赫兹波照射到大面积的石墨烯上，以检测石墨的透射率。这允许 快速地测量石墨烯的氧化和还原区域，实现了对石墨烯的导电率的检测。此外，石墨烯的氧 化区域在检测后立即被还原。这能够缩短恢复石墨烯的氧化区域所需的时间，导致整体的 测试时间和成本减小。
【附图说明】
[0029] 图1图示了根据本发明的一个实施例的、用于测试石墨烯传导性的装置的构成。
[0030] 图2是图示了图1所示装置的光处理单元的配置的框图。
[0031] 图3是图示了根据本发明的一个实施例的、用于测试石墨烯传导性的方法的步骤 的流程图。
[0032] 图4示出了（a)作为检测目标的石墨烯的图像和(b)根据本发明的方法测试后的石 墨烯的图像。
[0033]图5图解地示出了图4的(b)中所示的石墨烯的一些区域的反射值。
[0034] 图6是图示了图1所示的光处理单元的配置的部分框图。
【具体实施方式】
[0035] 下文中，会参照附图更详细地描述本发明。对于本领域技术人员而言显而易见的 是，这些附图仅以示例性的目的示出，并且本发明的范围不限于此。
[0036] 图1图示了根据本发明的一个实施例的、用于测试石墨烯传导性的装置的构成。本 发明的装置包括光处理单元1〇〇、确定单元200和显示单元300。本发明的装置的特征在于使 用太赫兹波来测量石墨烯的传导性。
[0037]光处理单元100将太赫兹波照射到石墨烯上，接收被石墨烯反射或者透射穿过石 墨烯的太赫兹波，将所接收的太赫兹波转换成电信号并且输出所述电信号。
[0038]照射到石墨稀上的太赫兹波为波长为30μηι到3mm、频率为0.1到ΙΟΤΗζ的电磁波。太 赫兹波具有很强的透射穿过石墨烯的能力，这是因为其波长长于可见光和红外线的波长。 与其他光波不同，太赫兹波即使在存在外界光的情况下也是可用的。因此，太赫兹波的使用 能够消除对阻隔外界光步骤的需要。
[0039] 太赫兹波的光源可以是脉冲的或者连续类型的光源。脉冲光源由于其穿过石墨烯 的高透射性而是更优选的。
[0040] 用于太赫兹波的光源被包括在光发射器101中。用于太赫兹波的光源可以设置有 多个。使用多个太赫兹波的光源使得能够对石墨烯进行二维测试，导致测试石墨烯所需的 时间的显著减少。
[0041] 图2是图示了光处理单元的配置的框图。如图2所示，除了光发射器101之外，光处 理单元100还包括光传感器102和固定部103。
[0042] 光发射器101被布置在固定部103之上。在将石墨烯固定到固定部103之后，光发射 器101将太赫兹波照射到固定的石墨烯上。从光发射器101照射的太赫兹波透射穿过石墨烯 的还原区域，但是被石墨烯的氧化区域吸收或者反射。
[0043] 从光发射器101照射并且入射到石墨烯上的太赫兹波中的一些被石墨烯反射，而 另一些太赫兹波透射穿过石墨烯。光传感器102接收所反射或透射的太赫兹波，将所反射或 透射的太赫兹波转换成电信号，并且将所述电信号传输给确定单元200。图6是图示了光处 理单元的配置的部分框图。如图6所示，光传感器102布置在固定部103之上，以检测从石墨 烯反射的太赫兹波（图6的a)。可替代地，光传感器102布置在固定部103之下，以检测透射穿 过石墨烯的太赫兹波(图6的b)。
[0044] 固定部103可以包括室104和样品台105。室104可以被构造为使外界环境因素的影 响最小化，以提高检测准确性。样品台105可以位于室104中。室104可以包括分别用以供样 品台105进入和离开的入口和出口。但是，室104的构造不限于此。室104是固定部103的一部 分，但是也可以包括光发射器101和光传感器102。样品台105可以位于室104中，以固定石墨 烯。样品台105布置在光发射器101和光传感器102之间并且与光发射器101和光传感器102 成一条直线。利用该布置，从光发射器101照射的太赫兹波垂直地入射到石墨烯上，并且透 射穿过石墨稀的太赫兹波能够被光传感器102垂直地接收到。
[0045] 样品台105可以以卷对卷(roll-to-roll)或者传送带方式构造，使得能够容易地 传递石墨稀。
[0046]确定单元200从光处理单元100接收输出信号并且分析石墨稀对太赫兹波的反射 率或透射率，以检测石墨烯的氧化或还原区域。在生产、储存或运输期间，石墨烯可能被部 分氧化。由于其低传导性，石墨烯氧化物不适合用在透明电极等中并且由此通常被视为是 有缺陷的。由于所照射的太赫兹波透射穿过还原区域，但是被氧化区域吸收或者反射，因此 太赫兹波被石墨烯反射的程度或者穿过石墨烯的透射程度随着石墨烯的还原和氧化区域 的变化而变化。太赫兹波的反射或透射允许对石墨烯的氧化或还原区域进行检测，从而实 现了对石墨烯传导性的测量。
[0047]确定单元300可以包括适配为检测石墨烯对太赫兹波的透射率的检测器201和适 配为分析所检测的透射率的分析器202。确定单元200可以包括存储器(未示出），该存储器 适配为存储在分析器202中处理的数据。
[0048] 显示单元300在屏幕上显示在确定单元200中分析的数据。通过显示单元300能够 检测石墨烯的氧化区域的分布。如图1所示，在显示单元300中分别以红色和绿色示出了石 墨烯的氧化和还原区域，使得能够在不需要进一步处理的情况下识别石墨烯的氧化和还原 区域的分布。
[0049] 图4(b)为在利用太赫兹波照射石墨烯后之后获得的石墨烯的图像。分别以红色和 黑色或蓝色表示石墨烯的还原和氧化区域，使得能够确定石墨烯是否被氧化或还原以及哪 里被氧化或还原。
[0050] 图5图解地示出了随着时间从位置1、3和12被反射的太赫兹波。照射到石墨烯的还 原区域上的太赫兹波中的大部分被石墨烯反射，这可以被解释为还原区域的高传导性。同 时，照射到石墨烯的氧化区域上的太赫兹波中的大部分被一些区域中的石墨烯表面吸收或 透射穿过一些区域中的石墨烯表面，这可以被解释为还原区域的低传导性。对从图4(b)所 示的位置1反射的太赫兹波进行分析，并且结果示出于图5(a)中。高密度的峰指示太赫兹波 从石墨烯反射，说明位置1是石墨烯的氧化区域。对从图4(b)所示的位置3反射的太赫兹波 进行分析，并且结果示出于图5(b)中。低密度的峰指示位置3的区域不同于位置1的区域。 即，位置3为石墨烯的还原区域之间的孔。图5(b)示出了被作为固定石墨烯的基板的载玻片 反射的太赫兹波。在图5(c)中出现具有低密度的几个峰。一个峰对应于被载玻片反射的太 赫兹波，其他峰对应于透射穿过石墨烯的一些太赫兹波的反射。太赫兹波的透射指示石墨 烯的高传导性。即，位置12为石墨烯的还原区域。总之，能够根据图5中的结果检测石墨烯的 还原和氧化区域。
[0051 ] 本发明的装置可以包括恢复单元400。无论确定单元200何时检测石墨烯的氧化区 域，恢复单元400都将电磁波实时地照射到石墨烯的氧化区域上，以还原该氧化区域。即，恢 复单元400用于恢复石墨烯的氧化区域。当与在检测石墨烯传导性后的单独的过程中对所 检测的石墨烯的氧化区域进行还原相比，该实时还原能够缩短用于恢复石墨烯的氧化区域 所花费的时间。
[0052] 电磁波包括紫外线、可见光和红外线区域中的所有波长。具体地，电磁波是波长为 160nm到2.5μπι的白光波，其可以由合适的灯照射，例如氙气闪光灯和紫外线灯。电磁波可以 具有0.1到100ms的脉冲宽度、0.1到100ms的脉冲间隙以及1到1000的脉冲数。
[0053] 本发明还提供了一种用于测试石墨烯传导性的方法，包括：
[0054] (a)将石墨稀固定到样品台，
[0055] (b)将太赫兹波照射到石墨烯上，
[0056] (c)检测石墨烯对太赫兹波的透射率，
[0057] (d)分析所检测太赫兹波的透射率以获得图像，和
[0058] (e)通过图像检测石墨烯的氧化区域。
[0059] 图3是图示了根据本发明的一个实施例的、用于测试石墨烯传导性的方法的步骤 的流程图。如图3所示，在步骤(a)中，将作为检测目标的石墨烯固定到(或者装载在)样品台 上。样品台可以位于室中。
[0060] 在步骤(b)中，将太赫兹波照射到固定的石墨烯上。将太赫兹波垂直地照射到石墨 烯上。太赫兹波可以具有30μπι到3mm的波长。太赫兹波具有高度的直线性并且因此在存在外 界光的情况下也是可用的。
[0061] 在步骤(c)中，对石墨烯反射的太赫兹波的反射率或者石墨烯对太赫兹波的透射 率进行检测。对在石墨烯的氧化区域中被石墨烯反射或透射穿过石墨烯的太赫兹波的检测 不同于在石墨烯的还原区域中的检测。例如，石墨烯氧化物具有对太赫兹波的低透射率，这 是由于太赫兹波没有透射穿过石墨烯氧化，而是被石墨烯氧化物吸收或者反射。
[0062] 在步骤(d)中，对检测到的反射率或透射率进行分析和成像。通过绘制所分析的反 射率或透射率来进行成像，以获得曲线。可替代地，可以将石墨烯的还原和氧化区域投射到 石墨烯上以获得彩色图像。如图1所示，在显示单元300中分别以红色和绿色示出了石墨烯 的氧化和还原区域，使得能够在不需要另外处理的情况下通过图像对其进行目视检测。
[0063] 在步骤(e)中，使用在步骤(d)中获得的图像来确定石墨烯是否以及哪里被氧化。 图像中具有低透射率的部分对应于石墨烯的氧化区域并且被期望具有低传导性，这是由于 石墨烯氧化物具有对太赫兹波的低导电率和低透射率。能够将步骤(d)中分析的数据与现 有数据进行比较以检测石墨烯的还原和氧化区域。现有数据例如是指传导性已知的石墨烯 对太赫兹波的反射率或透射率。在其中根据本发明检测到的石墨烯对太赫兹波的反射率或 透射率低于现有数据的区域能够被确定为石墨烯的氧化区域。
[0064] 本发明的方法还可以包括将电磁波照射到石墨烯的检测到的氧化区域，以还原所 述氧化区域。在该附加步骤中，对石墨烯的氧化区域进行恢复。不需要另外的材料和另外的 处理，例如退火，从而减少恢复时间和检测成本。电磁波包括紫外线、可见光和红外线区域 中的所有波长。具体地，电磁波是波长为160nm到2.5μπι的白光波，其可以由合适的灯照射， 例如氙气闪光灯和紫外线灯。电磁波可以具有0.1到1 〇〇ms的脉冲宽度、0.1到100ms的脉冲 间隙以及1到1000的脉冲数。
[0065]〈附图标记的说明〉
[0066] 100光处理单元101光发射器102光传感器
[0067] 103固定部 104室 105样品台
[0068] 200确定单元 201检测器 202分析器
[0069] 300显示单元
[0070] 400恢复单元
【主权项】
1. 一种用于测试石墨烯传导性的装置，包括:光处理单元、确定单元和显示单元，所述 光处理单元用于将太赫兹波照射到石墨烯上并且接收被所述石墨烯反射或者透射穿过所 述石墨稀的太赫兹波，所述确定单元用于检测来自所述光处理单元的太赫兹波以检测所述 石墨烯的氧化和还原区域，并且所述显示单元用于对在所述确定单元中处理的数据进行成 像。2. 根据权利要求1所示的装置，其中，所述太赫兹波是从脉冲或连续光源照射出的。3. 根据权利要求2所述的装置，其中，所述光源设置有多个。4. 根据权利要求2所述的装置，其中，所述太赫兹波具有30μπι到3mm的波长。5. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述光处理单元包括适配为固定所述石墨烯的固 定部、布置在石墨烯固定部之上的光发射器，并且包括适配为照射太赫兹波的光源和适配 为接收被所述石墨烯反射或者透射穿过所述石墨烯的太赫兹波的光传感器。6. 根据权利要求1所述的装置，还包括恢复单元，所述恢复单元用于将电磁波照射到在 所述确定单元中检测到的石墨烯的氧化区域上，以还原所述氧化区域。7. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述电磁波是脉冲的或者连续的，并且具有160nm 至lj2.5ym的波长。8. 根据权利要求6所述的装置，其中，所述电磁波是脉冲的，并且具有0.1到10ms的脉冲 宽度、0.1到1 〇〇ms的脉冲间隙以及1到1000的脉冲数。9. 一种用于测试石墨烯传导性的方法，包括：（a)将石墨烯固定到样品台，（b)将太赫兹 波照射到石墨烯上，（c)检测被所述石墨烯反射或透射穿过所述石墨烯的太赫兹波，（d)分 析并检测所述太赫兹波以获得图像，以及(e)通过所述图像来检测石墨烯的氧化区域。10. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述太赫兹波是从脉冲或者连续光源照射出的。11. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述太赫兹波是从一个或更多个光源照射出的。12. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述太赫兹波具有30μπι到3mm的波长。13. 根据权利要求9所述的方法，还包括将电磁波照射到在步骤(e)中检测到的石墨烯 的氧化区域上，以还原所述氧化区域。14. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述电磁波是脉冲的或者连续的，并且具有 160nm到2·5μπι的波长。15. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述电磁波是脉冲的，并且具有0.1到10ms的脉 冲宽度、〇. 1到1 〇〇ms的脉冲间隙以及1到1000的脉冲数。16. 根据权利要求9所述的方法，其中，所述石墨烯是电极器件或者透明电极。
【文档编号】G01N21/3581GK106030285SQ201580009904
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年2月16日
【发明人】金学成, 朴晟见, 金度亨
【申请人】汉阳大学校产学协力团