專利名稱：一種基于光學(xué)顯微鏡的石墨烯質(zhì)量檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)顯微鏡的石墨烯質(zhì)量檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
石墨烯是一種具有二維平面結(jié)構(gòu)的碳納米材料，具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，如好的透光性、好的導(dǎo)電性、高的機(jī)械強(qiáng)度、高的電子遷移率以及熱導(dǎo)率(Science 2009，324，1530 ;Rev.Mod.Phys.2009，81，109.)。其在高頻電子器件、光電子器件、柔性電子器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景(Nat. Nanotechnol. 2010，5，487 ；Nat. Photon. 2010,4,611.)。目前檢測(cè)石墨烯質(zhì)量的方法主要基于掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、低能電子顯微鏡、原子力顯微鏡、拉曼光譜儀、光學(xué)顯微鏡等(Nat. Mater. 2011,10,443 ；NanoLett. 2010，10，4128 ；ACS Nano, 2011，5，4014 ；Nano Lett. 2010，10，4890 ;Science，2004，306,666 ；Phys. Rev. Lett. 2006,97,187401 ；Appl. Phys. Lett. 2007，91，063124.)，現(xiàn)有的這些檢測(cè)設(shè)備較昂貴，操作過程較繁瑣，因此建立一種廉價(jià)快捷的質(zhì)量檢測(cè)方法是目前迫切需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種快速簡便地檢測(cè)石墨烯生長質(zhì)量的方法。本發(fā)明所提供的檢測(cè)石墨烯生長質(zhì)量的方法，是針對(duì)在銅基底上生長的石墨烯進(jìn)行檢測(cè)，具體包括下述步驟I)對(duì)生長有石墨烯的Cu基底進(jìn)行處理，使其表面未被石墨烯覆蓋的區(qū)域發(fā)生顏色變化；2)調(diào)整光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)或者選用適當(dāng)倍數(shù)的光學(xué)放大鏡，直接在步驟I)處理后的Cu基底上觀察石墨稀；3)根據(jù)步驟2)的觀察結(jié)果確定石墨烯的生長質(zhì)量，如成核密度、連續(xù)性等。上述各步驟均在常溫常壓下進(jìn)行。上述步驟I)中，選擇處理方法的原則是只使未被石墨烯覆蓋的區(qū)域發(fā)生顏色變化，而對(duì)石墨烯本身無影響。具體可通過下述方法實(shí)現(xiàn)I)將生長有石墨烯的Cu基底在空氣中退火；其中，退火的溫度可為100 300°C，時(shí)間為2-30min，優(yōu)選退火條件為160°C退火6min。2)將生長有石墨烯的Cu基底通過紅外燈照射烘烤；所采用的紅外燈的功率可為5-100W，照射時(shí)間可為l_30min，優(yōu)選條件為在30W紅外燈下烘烤15min。3)將生長有石墨烯的Cu基底浸泡于可使銅發(fā)生變色反應(yīng)且與石墨烯不發(fā)生反應(yīng)的溶液中；例如，將生長有石墨烯的Cu基底浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的過氧化氫水溶液中30s。類似的溶液還有S的乙醇溶液、硫脲的鹽酸溶液、過硫酸銨的氫氧化鈉溶液等。在上述檢測(cè)方法中，步驟I)是關(guān)鍵步驟，以空氣中退火處理為例，具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是退火前，用光學(xué)顯微鏡幾乎無法觀察到石墨烯；退火后，被石墨烯覆蓋的區(qū)域保持原有的顏色，而沒有被石墨烯覆蓋的區(qū)域被熱氧化發(fā)生顏色變化，通過顏色的對(duì)比在光學(xué)顯微鏡下觀察到石墨烯。在相同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相一致。上述步驟I)中發(fā)生的顏色的變化來源于基底暴露在空氣中的區(qū)域在退火作用下組成和結(jié)構(gòu)的改變。為排除潛在的假相，本發(fā)明在相同的處理?xiàng)l件下進(jìn)行了對(duì)照實(shí)驗(yàn)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，發(fā)明人對(duì)于未生長石墨烯的Cu基底進(jìn)行退火，基底顏色發(fā)生顯著變化，無未變色的區(qū)域；而生長完好的石墨烯，由于石墨烯的保護(hù)作用，退火前后樣品沒有發(fā)生顏色變化。此外，掃描電子顯微鏡照片、在Si02/Si基底上的光學(xué)顯微鏡照片、退火后的光學(xué)顯微鏡照片均顯示出相同的圖案，表明被石墨烯覆蓋區(qū)域的輪廓與石墨烯本身的輪廓是相同的。此外根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，石墨烯熱穩(wěn)定性較好，在空氣中可以承受400°C的加熱而不被氧化。(ACSNano,2011,5,1321.) 上述步驟I)中的顏色變化也可以通過紅外燈照射烘烤來實(shí)現(xiàn)。例如，將生長有石墨烯的Cu基底在適當(dāng)功率的紅外燈下照射60s可以得到同樣的效果。 上述步驟2)中如果不能用光學(xué)顯微鏡看清石墨烯，可以將變色處理后的生長有石墨烯的Cu基底固定到表面平整的支持物上，如載玻片、塑料板等，使生長基底變得更平。固定的方法可將生長基底的反面(即Cu基底上生長石墨烯面的對(duì)立面)用雙面膠粘到表面平整的支持物上。本發(fā)明利用光學(xué)顯微鏡或放大鏡通過顏色的對(duì)比讓石墨烯從生長基底上顯影出來實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯的檢測(cè)。本發(fā)明對(duì)科研和實(shí)際生產(chǎn)中石墨烯的檢測(cè)和石墨烯生長工藝快速摸索有較大的意義。本發(fā)明所提供的光學(xué)顯微鏡表征方法具有以下優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明是通過用加熱器或紅外燈在空氣中加熱烘烤或溶液中浸泡使石墨烯直接從生長基底光學(xué)顯影出來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯的光學(xué)表征，不需要轉(zhuǎn)移到其他基底上，是一種較為簡便的檢測(cè)方法。2、本發(fā)明使用的光學(xué)顯微鏡和光學(xué)放大鏡屬于常見設(shè)備，所用的設(shè)備廉價(jià)易得，與現(xiàn)有的方法相比，具有較低的檢測(cè)成本。3、本發(fā)明可以從大的視野范圍對(duì)石墨烯的生長情況進(jìn)行快速檢測(cè)，完成操作步驟只需幾分鐘，通過顏色的特征顯示石墨烯的輪廓，既高效又直觀。低壓化學(xué)氣相沉積法(PCVD)有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)大面積、高質(zhì)量的石墨烯，而現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在Cu箔基底表面制備面積達(dá)到30英寸的超大面積、高質(zhì)量單層石墨烯(Nat.Nanotechnol. 2010，5，574)。本發(fā)明建立了直接在生長基底上通過光學(xué)顯微鏡或放大鏡檢測(cè)石墨烯質(zhì)量的方法。該法只需要簡單的熱烘烤工藝，不需要任何昂貴的儀器設(shè)備，操作過程快速、簡便，檢測(cè)成本低廉，可以應(yīng)用于在線檢測(cè)石墨烯的生長質(zhì)量和石墨烯生長工藝的快速摸索。


圖I為基于光學(xué)顯微鏡對(duì)Cu基底上石墨烯質(zhì)量檢測(cè)的示意圖。圖2為實(shí)施例I中樣品退火前后在光學(xué)顯微鏡下觀察的結(jié)果。圖3為實(shí)施例I中光學(xué)顯影成像(圖3a)與SEM(圖3b)及轉(zhuǎn)移到Si02/Si基底上(圖3c)對(duì)照結(jié)果。圖4為實(shí)施例2中樣品退火后在光學(xué)顯微鏡下觀察不同位置的結(jié)果。圖5為實(shí)施例中樣品在溶液中浸泡后在光學(xué)顯微鏡下觀察的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實(shí)施例I :基于光學(xué)顯微鏡通過在空氣中烘烤檢測(cè)Cu基底上生長的石墨烯基于光學(xué)顯微鏡對(duì)Cu基底上石墨烯質(zhì)量檢測(cè)的示意圖，如圖I所示。退火前，在光學(xué)顯微鏡下觀察樣品，結(jié)果如圖2a所示；將樣品在空氣中退火，退火溫度為160°C,時(shí)間為6min,再在光學(xué)顯微鏡下觀察樣品，結(jié)果如圖2b所不；將樣品在30W 紅外燈下烘烤，時(shí)間為15min，再在光學(xué)顯微鏡下觀察樣品，結(jié)果如圖2c所示。觀察到的顏色變化來源于Cu基底暴露在空氣中的區(qū)域在退火作用下形成Cu的化合物(其中，主要是氧化物即氧化銅氧化亞銅，由于放到空氣有水氣還有部分氫氧化銅)，而被石墨烯覆蓋的區(qū)域未發(fā)生反應(yīng)，保持原有的黃色，因此通過顏色的對(duì)比直接觀察到生長基底上的石墨烯。將現(xiàn)在的光學(xué)顯影技術(shù)同SEM及將石墨烯轉(zhuǎn)移到Si02/Si基底上(J. Phys. Chem.C2008，112，17741)再在光學(xué)顯微鏡下觀察檢測(cè)方法相比較，結(jié)果如圖3所示。本發(fā)明的光學(xué)顯影方法和其他的表征方法能得到同樣的效果，但本發(fā)明的方法更簡便、快捷、廉價(jià)。實(shí)施例2 :基于光學(xué)顯微鏡通過在空氣中烘烤檢測(cè)Cu基底上不同位置的石墨烯將樣品在空氣中退火，溫度為160°C,時(shí)間為6min,在光學(xué)顯微鏡下觀察基底的不同位置，結(jié)果如圖4所示。觀察到石墨烯的區(qū)域面積沿著氣流方向越來越小，這是由于碳源在傳質(zhì)過程中因形成石墨烯而被部分消耗，導(dǎo)致下游碳源濃度逐漸減小。故使用本發(fā)明可以方便的從大視野對(duì)石墨烯的生長質(zhì)量進(jìn)行大范圍快速檢測(cè)。實(shí)施例3 :基于光學(xué)顯微鏡通過在溶液中浸泡檢測(cè)Cu基底上生長的石墨烯將樣品浸入的S的乙醇溶液或質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的過氧化氫水溶液中，30s后取出，在光學(xué)顯微鏡下觀察樣品，結(jié)果如圖5所示。S的乙醇溶液使Cu基底變?yōu)楹谏?圖5a)，15%過氧化氫水溶液使Cu基底變?yōu)辄S褐色(圖5b)，后者的效果相對(duì)比較好。可以實(shí)現(xiàn)快速的液相顯影檢測(cè)。綜上所述，本發(fā)明是一種成本較低、快速簡便的檢測(cè)石墨烯的方法，通過在空氣中烘烤或溶液中浸泡，可以直接在生長基底上利用光學(xué)顯微鏡或光學(xué)放大鏡對(duì)樣品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)石墨烯生長質(zhì)量的方法，包括下述步驟 1)對(duì)生長有石墨烯的Cu基底進(jìn)行處理，使其表面未被石墨烯覆蓋的區(qū)域發(fā)生顏色變化； 2)采用光學(xué)顯微鏡或者光學(xué)放大鏡直接在步驟I)處理后的Cu基底上觀察石墨烯； 3)根據(jù)步驟2)的觀察結(jié)果確定石墨烯的生長質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟I)中所述處理的方法是將生長有石墨稀的Cu基底在空氣中退火。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述退火的溫度為100 300°C，時(shí)間為2_30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟I)中所述處理的方法是將生長有石墨烯的Cu基底通過紅外燈照射烘烤。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述紅外燈照射的功率為5-100W，照射時(shí)間 >為 l-30min。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟I)中所述處理的方法是將生長有石墨烯的Cu基底浸泡于可使銅發(fā)生變色反應(yīng)且與石墨烯不發(fā)生反應(yīng)的溶液中。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述溶液選自下述任意一種質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的過氧化氫水溶液、S的乙醇溶液、硫脲的鹽酸溶液和過硫酸銨的氫氧化鈉溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述方法還包括在步驟2)前，將步驟I)處理后的生長有石墨烯的Cu基底固定到表面平整的支持物上的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述步驟I)-3)均在常溫常壓下進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測(cè)石墨烯生長質(zhì)量的方法。所述檢測(cè)方法包括下述步驟1)對(duì)生長有石墨烯的Cu基底進(jìn)行處理，使其表面未被石墨烯覆蓋的區(qū)域發(fā)生顏色變化；2)調(diào)整光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)或選用適當(dāng)倍數(shù)的光學(xué)放大鏡，直接在步驟1)處理后的Cu基底上觀察石墨烯；3)根據(jù)步驟2)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定石墨烯的生長情況，檢測(cè)石墨烯生長質(zhì)量，并為快速摸清石墨烯的生長工藝提供指導(dǎo)。本發(fā)明可利用光學(xué)顯微鏡或放大鏡直接在生長基底上對(duì)石墨烯進(jìn)行檢測(cè)。該方法較為廉價(jià)、簡便、快速，并可以從大的視野范圍了解石墨烯的整體生長情況，對(duì)科研和實(shí)際生產(chǎn)中石墨烯的質(zhì)量檢測(cè)和生長工藝摸索有較大的意義。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102749291SQ20121024187
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者江蛟龍, 賈傳成, 郭雪峰 申請(qǐng)人:北京大學(xué)