一种测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及材料物理性质参数的测试方法和光谱技术领域，特别是涉及拉曼光谱 技术，尤其是一种测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法。
【背景技术】
[0002] 多层石墨烯是二维层状材料研宄的一个重要方向。二维层状材料的共同特点是层 内原子靠共价键耦合在一起，而层与层之间依赖范德瓦耳斯力相互作用，因此层内原子的 相互作用很强，原子结构非常稳定，而层间的相互作用很弱，可以通过多种堆垛形式堆积成 三维结构。随着层数的增加，二维层状材料显示出不同于单层材料的电子能带结构和物理 性质。因此，确定二维层状材料，特别是多层石墨烯的层数对于研宄这些材料的物理性质和 它们在半导体器件方面的应用有重要意义。
[0003] 近几十年来，人们发表了各种测试多层石墨烯层数的方法。例如，利用原子力显微 镜可以直接对多层石墨烯样品的厚度进行测量，但是由于其单层材料的厚度通常只有纳米 甚至埃的量级，原子力显微镜的测试结果容易受到衬底粗糙度以及样品表面吸附等因素的 影响，这导致测试结果往往存在较大偏差，且测试效率不高。利用光学衬度的方法可以有效 地对单层及少层（小于10层）石墨烯样品进行层数表征，但是随着层数增加，相邻层数样 品之间的反射光谱差别越来越小，这时已经不足以准确表征更多层数的多层石墨烯样品。 另外，利用多层石墨烯样品本身的拉曼特征模式也可以测试样品层数，例如根据2D模的峰 型变化或者根据剪切模的峰位可以判断少层（一般小于5层）石墨烯样品的层数，但是样 品本身拉曼特征模式的峰型和峰位信息容易受到样品中缺陷以及样品层间堆垛方式等因 素影响，导致层数测试方法的失效。
[0004] 如何寻找一种有效的多层石墨烯层数测试技术，既能减少由于样品中缺陷以及样 品层间堆垛方式不同等因素对层数测量的影响，同时又能快速而准确地测试大于10层的 多层石墨烯样品，对研宄石墨烯和其它二维层状材料的物理性质和器件应用非常重要。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 本发明的目的在于探索一种测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法。这种 方法既能避免样品中缺陷以及样品层间堆垛方式不同等因素对层数测量的影响，又在更多 层数范围内具有很高的准确性，并且不依赖于Si02/Si衬底的取向和入射激光的偏振状态， 对不同的实验测试系统具有普适性，适用于100层以内多层石墨烯样品的层数表征。
[0007](二）技术方案
[0008] 为达到上述目的，本发明提供了一种测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方 法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1 :利用椭圆偏光仪测量复合硅衬底表面SiOji的厚度，其中复合硅衬底为 Si02/Si衬底，3102层形成于Si层之上；
[0010] 步骤2:在复合硅衬底上通过微机械剥离方法或转移方法制备多层石墨烯样品； [0011] 步骤3:利用光学显微镜在复合硅衬底表面找到需要测试的多层石墨烯样品区 域，选择激光光源，利用显微拉曼谱仪分别测试复合硅衬底被多层石墨烯样品覆盖部分以 及未被多层石墨烯样品覆盖部分的位于520波数附近的一阶硅拉曼信号，被多层石墨烯样 品覆盖部分一阶硅拉曼信号的强度被标记为I(SiJ，未被多层石墨烯样品覆盖部分一阶硅 拉曼信号的强度被标记为I(SO，得到强度比值I(SiJ/I(S。的测试值；
[0012] 步骤4 :利用激光波长、显微物镜数值孔径、复合硅衬底Si02层厚度和石墨烯复折 射率计算得到在此条件下强度比值KsiJ/i(S。随石墨烯层数变化关系的理论值，将该 理论值与测试值进行对比，得到多层石墨烯样品的层数。
[0013] 上述方案中，步骤4中所述显微物镜采用数值孔径小于等于0. 55的长工作距离物 镜。
[0014] 上述方案中，步骤3中所述测试使用的光栅分辨率优于0. 5cm'
[0015] 上述方案中，步骤3中所述测试时照射到样品表面的激光功率低于0. 5mW，以便避 免激光对样品的加热效应。
[0016] 上述方案中，步骤3中所述硅一阶拉曼信号强度I(Sie)和I(SiJ应采用面积强 度，以减小实验测试误差。
[0017] 上述方案中，在步骤3测试Ksg时，应靠近所测样品附近未被多层石墨烯覆盖 的区域，通过调节显微物镜的聚焦旋钮，获得硅一阶拉曼信号的最大强度I(so，然后直接 将复合硅衬底平移到附近的多层石墨烯区域，再次测量硅一阶拉曼信号KsiJ;在此过程 中不要进行再次聚焦，以免两次聚焦情况不同带来的测量误差。
[0018] 上述方案中，石墨烯复折射率的不同选取会影响所测试层数的准 确性，在步骤4中采用的石墨稀复折射率为ff\ (A) =rii(A)-iki(入）， 在450nm-750nm可见光范围内，可由以下公式拟合出来 aexp (bA)+cexp (dA)，其中a= 47. 64，b= -〇? 01434，c= 2. 222，d= 0? 0003668 ;
【主权项】
1. 一种测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1 :利用椭圆偏光仪测量复合硅衬底表面SiOJi的厚度，其中复合硅衬底为SiO2/ Si衬底，SiOjl形成于Si层之上； 步骤2 :在复合硅衬底上通过微机械剥离方法或转移方法制备多层石墨烯样品； 步骤3:利用光学显微镜在复合硅衬底表面找到需要测试的多层石墨烯样品区域，选 择激光光源，利用显微拉曼谱仪分别测试复合硅衬底被多层石墨烯样品覆盖部分以及未被 多层石墨烯样品覆盖部分的位于520波数附近的一阶硅拉曼信号，被多层石墨烯样品覆盖 部分一阶硅拉曼信号的强度被标记为I (Sitj)，未被多层石墨烯样品覆盖部分一阶硅拉曼信 号的强度被标记为I (Sitl)，得到强度比值I (Si)/I (Sitl)的测试值； 步骤4:利用激光波长、显微物镜数值孔径、复合硅衬底SiO2层厚度和石墨烯复折射率 计算得到在此条件下强度比值I (Sitj)/I(Sitl)随石墨烯层数变化关系的理论值，将该理论 值与测试值进行对比，得到多层石墨烯样品的层数。
2. 根据权利要求1所述的测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法，其特征在 于，步骤4中所述显微物镜采用数值孔径小于等于0. 55的长工作距离物镜。
3. 根据权利要求1所述的测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法，其特征在 于，步骤3中所述测试使用的光栅分辨率优于0. 5cm'
4. 根据权利要求1所述的测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法，其特征在 于，步骤3中所述测试时照射到样品表面的激光功率低于0. 5mW，以便避免激光对样品的加 热效应。
5. 根据权利要求1所述的测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法，其特征在 于，步骤3中所述硅一阶拉曼信号强度I (Sitj)和I (Sitl)应采用面积强度，以减小实验测试 误差。
6. 根据权利要求1所述的测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法，其特征在 于，在步骤3测试I (Sitl)时，应靠近所测样品附近未被多层石墨烯覆盖的区域，通过调节显 微物镜的聚焦旋钮，获得硅一阶拉曼信号的最大强度I (Sitl)，然后直接将复合硅衬底平移 到附近的多层石墨烯区域，再次测量硅一阶拉曼信号I(Si tj);在此过程中不要进行再次聚 焦，以免两次聚焦情况不同带来的测量误差。
7. 根据权利要求1所述的测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方 法，其特征在于，石墨烯复折射率的不同选取会影响所测试层数的准确性，在步 骤4中采用的石墨烯复折射率为M》.）=Ki(A) - fhCi)， 在 450nm_750nm 可见光范围内，可由以下公式拟合出来：111(1)=&61口(1^)+〇61口((1入）， 其 中 a = 47.64，b = -0.01434，c = 2.222，d = 0. 0003668 ；
L 412，!^= 1100, c 丄=505. 4, a 2= 0? 991，b 2= 437. 5, c 2 = 482. 2, a 3= 28. 7, b 3= -166. 8， C3=245. 2〇
【专利摘要】本发明公开了一种测试复合硅衬底上多层石墨烯样品层数的方法，包括如下步骤：利用椭圆偏光仪获得SiO2/Si衬底表面SiO2层的厚度，在SiO2/Si衬底上通过微机械剥离方法或各种转移方法获得多层石墨烯样品，利用显微拉曼谱仪分别测试SiO2/Si衬底被和未被石墨烯样品覆盖部分的一阶硅拉曼信号强度比I(SiG)/I(Si0)，与理论计算结果进行对照，即可确定多层石墨烯样品层数。本发明实验测试方法简单，不依赖于SiO2/Si衬底的取向和入射激光的偏振状态，对不同的实验测试系统具有普适性，适用于100层以内多层石墨烯样品的层数表征。
【IPC分类】G01N21-65
【公开号】CN104819973
【申请号】CN201510151989
【发明人】谭平恒, 李晓莉, 韩文鹏, 乔晓粉
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月1日