一种基于光学图片判断双层石墨烯层间扭转角的方法

本发明属于新材料领域，具体涉及一种利用光学图像的rgb(红、绿、蓝)彩色通道直接分辨双层石墨烯的层间扭转角的光学方法。

背景技术：

1、转角双层石墨烯因其独特的电学、光学和电化学特性，近些年来吸引了人们的广泛关注。不同于单层石墨烯，转角双层石墨烯增加了层间转角这一自由度，通过调整上下两层石墨烯之间的旋转角度，可以极大地改变其电子结构，从而衍生出许多新奇的物理现象，包括非常规超导、量子反常霍尔效应和拓扑绝缘态等。然而，准确的表征层间转角目前仍然面临极大的挑战。目前，拉曼光谱、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜和低能电子衍射等是判断转角双层石墨烯的层间旋转角度的常用手段。但这些表征手段所使用的设备都很昂贵，透射电子显微镜只能在特定的悬空衬底上进行微区样品(微米尺度)转角判定，且需要复杂的样品制备过程；拉曼光谱判断转角精度有限，且扫描时间很长；低能电子衍射对样品衬底有要求，且需要高真空环境。这些缺点都严重阻碍了转角双层石墨烯的实际应用。因此，如何能够在不同衬底上快速、准确、无损地实现大面积转角分辨对于转角双层石墨烯的物性研究以及实际应用都至关重要。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种快速、简单、无损的、无衬底依赖性的大面积双层石墨烯层间转角判断方法。转角双层石墨烯具备随转角单调谐调的光学跃迁通道，即具备特定转角的双层石墨烯会与特定波长的光发生共振吸收增强。基于此，本发明首先利用光学显微镜获取双层转角石墨烯的光学图片，通过提取出光学图片的rgb通道图片，通过对比同一石墨烯区域在不同通道光学图片的衬度差异，进而判断对应区域双层石墨烯的扭转角。利用该方法，可以实现转角范围在7.9°～23.3°区间的双层石墨烯的层间扭转角判定。

2、本发明所提供的大面积转角表征方法，包括下述步骤：

3、1)通过光学显微镜获取双层石墨烯区域的光学图片，所述双层石墨烯可以在不同衬底上，常见衬底为硅片、带二氧化硅层的硅片、石英、云母、蓝宝石、或氮化硅；

4、2)将步骤1)得到的光学图片通过软件(能提取图片rgb通道的软件，包括但不限于photoshop)提取出红(r)、绿(g)、蓝(b)三个通道的图片；

5、3)在步骤2)得到三张rgb通道图片里寻找有衬度差异(明暗区别)的区域，一共有五种类型，包括只在r、g和b单个通道出现衬度差异的三种类型，以及同时在r和g或者g和b通道出现衬度差异的两种类型；

6、4)根据步骤3)不同区域呈现的衬度差异确定双层石墨烯对应的转角：只在r通道出现衬度差异，对应的是第一类转角(typeⅰ)，转角范围为7.9°～11.1°；同时在r通道和g通道出现衬度差异，对应的是第二类转角(typeⅱ)，转角范围为11.1°～12.1°；只在g通道出现衬度差异，对应的是第三类转角(typeⅲ)，转角范围为12.1°～12.7°；同时在g通道和b通道出现衬度差异，对应的是第四类转角(typeⅳ)，转角范围为12.7°～16.1°；只在b通道出现衬度差异，对应的是第五类转角(typeⅴ)，转角范围为16.1～23.3°。

7、5)步骤3)中rgb通道的波长范围采用公认的标准，具体而言r通道为560nm～800nm，g通道为450nm～600nm，b通道为350nm～540nm。双层石墨烯扭转角θ与波长λ(单位：纳米)的具体关系为：

8、

9、通过上述公式算得，800nm对应7.9°，600nm对应11.1°，560nm对应12.1°，540nm对应12.7°，450nm对应16.1°，350nm对应23.3°。由此通过rgb通道图片衬度差异共分为五类转角，其中第一类转角范围为(7.9°～11.1°)，第二类转角范围为(11.1°～12.1°)，第三类转角范围为(12.1°～12.7°)，第四类转角范围为(12.7°～16.1°)和第五类转角范围为(16.1～23.3°)。

10、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

11、本发明方法首先不需要大型、昂贵的实验设备，也不需要苛刻的实验条件，只需要一台普通的光学显微镜，在大气、室温环境下拍摄光学图片，即可分辨双层石墨烯的转角，简单、快捷且高效。其二，样品的制备技术简单，不需要将样品悬空，没有限定目标衬底的种类(常见硅片、石英、云母或蓝宝石等均可)。第三，现有的技术，包括透射电镜，低能电子衍射和拉曼光谱等只能在微米尺度的横向尺度范围内判断转角，而本发明方法提供的样品表征区域仅受限于光学显微镜的拍摄范围，进一步借助图片拼接技术，轻松实现大面积双层石墨烯的转角分辨。

技术特征：

1.一种基于光学图片判断双层石墨烯层间扭转角的方法，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述衬底没有明确的要求，包括但不限于硅片、带氧化硅层的硅片、云母、石英、蓝宝石或氮化硅等。

3.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤1-4)中，所述处理软件包括但不限于商业软件photoshop，能够提取rgb通道图片的各种软件均可。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

5.根据权利要求1和4所述的方法，其特征在于：双层石墨烯扭转角θ与波长λ(单位：纳米)的具体关系为：

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述的转角范围是通过权利要求4所述的rgb通道波长范围与权利要求5所述转角与波长关系计算得到，具体而言，800nm对应7.9°，600nm对应11.1°，560nm对应12.1°，540nm对应12.7°，450nm对应16.1°，350nm对应23.3°；由此通过rgb通道图片衬度差异共分为五类转角，其中第一类转角范围为(7.9°～11.1°)，第二类转角范围为(11.1°～12.1°)，第三类转角范围为(12.1°～12.7°)，第四类转角范围为(12.7°～16.1°)和第五类转角范围为(16.1～23.3°)。

技术总结
本发明公开了一种光学成像分辨转角的方法，根据双层石墨烯样品的能量色散光学反射行为，利用光学图像的RGB(红、绿、蓝)彩色通道直接分辨双层石墨烯的扭转角。本发明所提出的光学成像方法为大面积识别双层转角石墨烯扭转角提供了一种快速、高效、与衬底无关且非破坏性的方法，从而促进了对扭转范德华层材料的物理性质和应用的研究。

技术研发人员：陈珊珊,谭佐权
受保护的技术使用者：中国人民大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17