Badanie grafenu techniką elipsometrii obrazującej

01
  • aplikacje
    Badanie grafenu techniką elipsometrii obrazującej

Porównanie metod badania grafenu oraz tlenku grafenu

Grafen oraz tlenkowe warstwy grafenowe są zlokalizowane i charakteryzowane różnych podłożach, za pomocą spektroskopowej elipsometrii obrazującej nanofilm_ep4se. Grubość i funkcje dyspersji współczynnika załamania n oraz ekstynkcji k uzyskiwane są dla kilku μm szerokich warstw. Wyniki obrazowania elipsometrycznego zgadzają się z wynikami uzyskanymi za pomocą kombinacji AFM oraz mikroskopii konfokalnej w obrębie błędów. W przeciwieństwie do tych ostatnich sposobów, czas pomiaru jest o wiele krótszy w przypadku elipsometrii obrazującej.

Grafen jest dwuwymiarową warstwą trójwymiarowego grafitu. Zainteresowanie grafenem jest spowodowane przez znakomite właściwości elektroniczne tego materiału i potencjalne zastosowania elektroniczne. Wykazuje on wysoką jakość kryształu, transport elektronów w skali submikronowej (nawet w warunkach standardowych otoczenia) i jego nośniki ładunku mogą dokładnie naśladować bezmasowe fermiony Diraca. Próbki grafenu obecnie stosowanego w doświadczeniach są zwykle wytwarzane przez mikromechaniczne rozszczepienie grafitu. Chociaż grafen jest prawdopodobnie produkowany za każdym razem gdy ktoś używa ołówka, to jest bardzo trudne znalezienie małych krystalitów grafenowych w “stogu siana” milionów grubszych płatków grafitu, które pojawiają się podczas rozszczepienia. W rzeczywistości, nowoczesne techniki wizualizacji (w tym mikroskopie sił atomowych, skaningowa tunelowa oraz elektronowa) mają trudności w znalezieniu grafenu ze względu na ich bardzo niską przepustowość w wymaganej rozdzielczości atomowej lub brak jasnego rozpoznawania pojedynczych warstw atomowych od grubszych
płatków. Nawet mikroskopia Ramana, która niedawno sprawdziła się jako potężne narzędzie dla odróżnienia pojedynczych warstw grafenowych, nie został jeszcze zautomatyzowana, aby umożliwić wyszukiwanie krystalitów grafenu. Co więcej, różnice pomiędzy dwoma warstwami i kilkoma warstwami arkuszy grafenu nie są widoczne w widmach Ramana.

Mimo to, pomiar mikroskopią sił atomowych (AFM) jest najbardziej bezpośrednim sposobem identyfikacji grubości grafenu, metoda ma powolną przepustowość i może również spowodować uszkodzenie sieci krystalicznej podczas pomiaru. Ponadto interpretacja otrzymanych wartości grubości jest trudna do interpretacji ze względu na adsorbencje w arkuszu w warunkach otoczenia.

Do tej pory, jedynym sposobem, aby wyizolować grafen jest rozszczepianie grafitu w górnej części utlenionego wafla krzemowego, a następnie ostrożne skanowanie jej powierzchni, przy użyciu mikroskopu optycznego. Cienkie płatki są wystarczająco przejrzyste, aby dodać je do ścieżki optycznej, która zmienia swój kolor w odniesieniu do pustej płytki. Kontrast widma i kontrastowe obrazy na SiO2 lub folii PMMA lub Si3N4 mogą być wykorzystywane do określenia ilości i właściwości optycznych warstwy grafenu. To samo dotyczy sposobu kontroli warstw tlenku grafenu, który
jest materiałem, który może być eksfoliowany z wytworzeniem trwałych zawiesin koloidalnych w wodzie.

W odpowiednim stężeniu, odparowywanie kropelek tej zawiesiny koloidalnej tworzy na powierzchni warstwy tlenku grafenu. Materiał ten zwraca szczególną uwagę jako wypełniacz anokompozytów, jak również jako materiał papiero podobny. Jako alternatywę dla grafenu kilka warstw lub nawet jedną warstwa tlenku grafenu jest obiecująca.

W tym zastosowaniu zarówno grubość jak i współczynnik załamania i ekstynkcji tlenku grafenu są mierzone metodą spektroskopowej elipsometrii obrazującej na pojedynczej warstwie tlenku grafenu na Si3N4/SiO2/Si-podłoże. Po tym możemy zastosować tę technikę do badania kilku warstw grafenu na podłożu GaAs.

Przykładowe pomiary:

Kravets et al. (2010) Phys. Rev. B 81

Wurstbauer et al. (2010) Appl. Phys. Lett. 97

Obrazowanie i mapowanie elipsometryczne- przykład mapy Psi