标记和检测石墨烯层中的缺陷的方法和系统的制作方法
【专利说明】标记和检测石墨烯层中的缺陷的方法和系统
[0001] 背景
[0002] 石墨烯（graphene)是通常包括键合的碳原子的一个原子厚层的材料。碳原子布 置为规则六边形图案。石墨烯具有相对高的导电性和机械强度。可通过使碳原子在过渡金 属衬底上生长随后转移至终衬底比如二氧化硅，形成石墨烯。
【发明内容】
[0003] 在一种实施方式中，标记石墨烯层中的一个或多个缺陷的方法可包括提供具有至 少部分被石墨烯层覆盖的表面的衬底；和使衬底接触指示剂，所述指示剂选择性结合由石 墨烯层中的一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区域，以标记一个或多个缺陷。
[0004] 在一种实施方式中，标记石墨烯层中的一个或多个缺陷的系统可包括：衬底，其具 有至少部分被石墨烯层覆盖的表面；和第一贮器，其包含指示剂的溶液，所述指示剂选择性 结合由一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区域，以标记一个或多个缺陷，并且所述 第一贮器配置为使衬底接触荧光团的溶液。
[0005] 在一种实施方式中，检查石墨烯层的一个或多个缺陷的方法可包括：提供具有至 少部分被石墨烯层覆盖的表面的衬底；使衬底接触荧光团，所述荧光团选择性结合由石墨 烯层中的一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区域，以标记一个或多个缺陷；使衬底 暴露于辐射，其在由一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区域处从荧光团有效产生可 检测的荧光响应；和监测荧光团的荧光响应，其中检测到的荧光响应鉴定一个或多个缺陷 和没有荧光响应指示没有一个或多个缺陷。
[0006] 在一种实施方式中，检查石墨烯层的一个或多个缺陷的系统可包括：衬底，其具有 至少部分被石墨烯层覆盖的表面；第一贮器，其包含荧光团的溶液，所述荧光团选择性结合 由一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区域，并且所述第一贮器配置为使衬底接触荧 光团的溶液；辐射源，其配置为照射衬底，以在由一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个 区域处从荧光团产生可检测的荧光响应；和检测器，其配置为监测荧光团的荧光响应，其中 检测到的荧光响应鉴定一个或多个缺陷和没有荧光响应指示没有一个或多个缺陷。
[0007] 在一种实施方式中，标记衬底表面上的石墨烯层中的一个或多个缺陷的工具箱可 包括：荧光团，其选择性结合由石墨烯层中的一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区 域，以标记一个或多个缺陷；和包括使衬底接触荧光团的溶液的一组指令。
[0008] 在一种实施方式中，标记的样品可包括衬底，其具有至少部分被石墨烯层覆盖的 表面；和在由石墨烯层中的一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区域处的荧光团，以 标记一个或多个缺陷。
[0009] 在一种实施方式中，预处理的样品可包括：衬底，其具有至少部分被石墨烯层覆盖 的表面；和在由石墨烯层中的一个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区域处的氨基硅 烷，以预处理用于结合荧光团的表面的一个或多个区域。
[0010] 附图简述
[0011] 图1图解了根据本文公开的实施方式使用硅烷荧光团标记由石墨烯层中的缺陷 暴露的衬底的表面；
[0012] 图2图解了根据本文公开的实施方式使用氨基芘衍生物荧光团标记由石墨烯层 中的缺陷暴露的衬底的表面。
[0013] 图3图解了根据本文公开的实施方式检查石墨烯层的一个或多个缺陷的方法的 流程图。
[0014] 发明详述
[0015] 本公开不限于描述的具体方法、系统和工具箱，因为这些可以改变。在本说明书中 使用的术语是仅仅为了描述具体形式或实施方式的目的，并且不旨在限制范围。
[0016] 本文公开了使用荧光团标记和鉴定衬底表面上的石墨烯层中的一个或多个缺陷 的方法、系统和工具箱。荧光团可通过结合由石墨烯层中的一个或多个缺陷暴露的下部衬 底表面的一个或多个区域定位在一个或多个缺陷处。通过使衬底暴露于辐射和检测荧光团 对辐射的荧光响应，可鉴定一个或多个缺陷。检测到的荧光响应可鉴定石墨烯层中存在一 个或多个缺陷。相反，没有荧光响应可指示石墨烯层中没有一个或多个缺陷。
[0017] 标iP,和鉴宙石墨燔层中的缺陷的方法
[0018] 在一种实施方式中，标记石墨烯层中的一个或多个缺陷的方法可包括提供衬底， 其在衬底上具有石墨烯层。在一些情况下，标记的方法可用作质量控制测试，以评估石墨烯 层有或没有缺陷。标记可用指示剂比如荧光团标示一个或多个缺陷的位置，可通过观察荧 光团对辐射的荧光响应检测所述指示剂。其他指示剂可以是染料、放射性同位素或量子点 (quantum dot)。石墨稀层可至少部分覆盖衬底的表面，并且可具有暴露下部衬底表面的一 个或多个区域的一个或多个缺陷。一个或多个缺陷可包括在石墨烯层的生产和处理期间在 石墨烯层中形成的裂缝或空隙。方法可进一步包括使衬底接触荧光团，其选择性结合由一 个或多个缺陷暴露的表面的一个或多个区域，以标记一个或多个缺陷。在一种实施方式中， 在使衬底接触荧光团之后，衬底可接触冲洗液，以从石墨烯层去除任何未定位的荧光团。为 了鉴定荧光团标记的缺陷，方法可进一步包括使衬底暴露于辐射，其在由一个或多个缺陷 暴露的表面的一个或多个区域处从荧光团有效产生可检测的荧光响应，和监测荧光团的荧 光响应。检测到的荧光响应可鉴定一个或多个缺陷，和没有荧光响应可指示石墨烯层中没 有一个或多个缺陷。
[0019] 在一种实施方式中，衬底可以是无机极性衬底。当衬底是极性衬底时，衬底可具有 吸附在表面的偶极基团，例如，羟基基团。在一种实施方式中，衬底可选自玻璃、石英、二氧 化硅、表面氧化的硅、过渡金属氧化物、表面氧化的过渡金属、氧化铝和其组合。
[0020] 在一种实施方式中，焚光团可以是式I表不的硅烷焚光团：
[0021] C16H9-N = CH-(CH2)x-CH = N-(CH2)w-SiV0 z) [0 (CH2) YCH3] z-----(I)
[0022] 其中V是-H或-(CH2)UCH3, U是0至2的整数，W是0至3的整数，X是0至3 的整数，Y是〇至2的整数，和Z是1至3的整数。在一种实施方式中，硅烷荧光团可以 是 C16H9-N = CH-(CH2)3-CH = N-(CH2)3-Si (OCH2CH3)3。在一种实施方式中，可通过下述形 成硅烷荧光团：使二醛CHO-(CH2)x-CHO接触氨基芘C16H 9-NH2，以形成氨基芘衍生物荧光 团C16H9-N = CH-(CH2)x-CHO,和使氨基芘衍生物荧光团接触氨基硅烷NH2-(CH 2)w-SiV0 z)[0(CH2) YCH3]z，以形成硅烷荧光团。二醛可选自乙二醛CH0-CH0、丙二醛CH0-CH 2-CH0、琥珀 醛CHO-(CH2) 2-CH0、戊二醛CHO-(CH2) 3-CH0,和其组合。氨基硅烷可选自氨基三乙氧基硅烷 NH2-Si [0 ((?) CH3] 3、氛乙基二乙氧基硅烷NH- ((?) 2_Si [0 ((?) CH3] 3、氛基丙基二乙氧基娃 烷NH- (CH2) 3-Si [0 (CH2) CH3] 3、氨乙基三甲氧基硅烷NH- (CH2) 2-Si [OCH3] 3、氨基丙基三甲氧 基硅烷NH-(CH2) 3-Si [OCH3] 3、氨基丙基甲基二乙氧基硅烷NH-(CH2) 3-Si (CH3) [OCH3] 2，和其 组合。在一种实施方式中，二醛可以是戊二醛CHO-(CH2)3-CHO,氨基芘衍生物荧光团可以是 C16H9-N = CH- (CH2) 3-CH0,和氛基石圭烧可以是氛基丙基二乙氧基石圭烧NH2- (CH2) 3_Si [0 (CH2) CH3]3，如在下面样品反应方案（A)和（B)中使用。
[0025] 图1图解了硅烷荧光团18至二氧化硅衬底10的结合，如在公开的实施方式中描 述的。衬底10在衬底10的表面上可具有石墨稀层12。石墨稀层中的缺陷14可暴露下部 衬底10表面的区域15。当二氧化硅衬底是极性的时候，其可具有吸附在表面的偶极基团比 如羟基基团（未显示）。不被理论限制，由于硅烷荧光团18中存在的氨基硅烷部分，硅烷荧 光团18可优选结合表面的暴露区域15并且不结合石墨烯层12。连接至氨基硅烷部分中 硅原子的烷氧基基团可与吸附在衬底10表面的羟基基团（未显示）反应，以将硅烷荧光团 18化学结合至表面的暴露区域15。例如，如图1中所显示，硅烷荧光团18可以是C16H9-N = CH-(CH2) 3-CH = N-(CH2) 3-Si (OCH2CH3) 3,其在氨基硅烷部分中具有乙氧基。乙氧基可与吸附 在衬底10表面的羟基基团反应，以经氧原子将硅烷荧光团18结合至表面的暴露区域15,同 时形成作为副产物的乙醇（未显示）。因此，荧光团18可附着至暴露区域15,并且不附着 至石墨稀层12,以标记石墨稀层12中的缺陷14,降低了从衬底10滤去（leaching)的可能 性。
[0026] 在一种实施方式中，焚光团可以是式II表不的氨基花衍生物焚光团：
[0027] C16H9-N = CH- (CH2) x-CHO------(II)0
[0028] 其中荧光团是氨基芘衍生物荧光团，由石墨烯层中的一个或多个缺陷暴露的衬底 表面的至少一个或多个区域可包括具有式III的氨基硅烷：
[0029] NH2-(CH2)W-SiV0 z) [0(CH2)YCH3]z------(III)，
[0030] 其中V是-H或-(CH2)U是O至2的整数，W是O至3的整数，X是O至3的 整数，Y是O至2的整数，和Z是1至3的整数。在一种实施方式中，氨基芘衍生物荧光团 可以是C16H9-N = CH-(CH2)x-CHO,和氨基硅烷可以是氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES) NH2-( CH2)3-Si[0CH2CH3]3。如本文公开的，由于吸附在衬底表面的偶极基团（例如，羟基基团），氨 基硅烷可优选结合由石墨烯层中的一个或多个缺陷暴露的衬底表面的一个或多个区域。在 一种实施方式中，衬底可接触氨基硅烷，以将氨基硅烷连接至由石墨烯层中的一个或多个 缺陷暴露的下部衬底表面的至少一个或多个区域。衬底与氨基硅烷的接触可在衬底接触荧 光团之前进行。然后，氨基芘衍生物荧光团可与连接至衬底的氨基硅烷反应，以形成化学 结合至衬底的所得的硅烷荧光团。因此，将理解，氨基硅烷可将氨基芘衍生物荧光团化学 结合至衬底。在一种实施方式中，可通过如下形成氨基芘衍生物荧光团：使二醛CHO-(CH2)x-CH0接触氨基芘C16H9-NH2，以形成氨基芘衍生物荧光团。二醛可选自乙二醛CH0-CH0、丙二 醛CHO-CH2-OKK琥珀醛CHO- (CH2) 2-CH0、戊二醛CHO- (CH2) 3-C