鑠思百檢測：多晶襯底支撐石墨烯的掃描電鏡成像表征研究

石墨烯是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料之一石墨烯的性能和性質(zhì)在很大程度上取決于其結(jié)構(gòu)和形貌特征，如層數(shù)、尺寸、缺陷（如劃痕、褶皺）等，而石墨烯結(jié)構(gòu)和形貌特征的表征是揭示其結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的關(guān)鍵SEM具有納米分辨率、觀測范圍大、速度快的優(yōu)點，在石墨烯表面污染物、褶皺缺陷觀測、生長機理研究、層數(shù)識別等方面具有獨特的優(yōu)勢，應(yīng)用廣泛

支撐石墨烯的常用基板主要分為單晶襯基板和多晶基板與文獻單晶襯的石墨烯相比，多晶材料的sem觀察中存在晶粒取向敏感的電子通道效應(yīng)（Electron Channeling Effect，ECC），影響了石墨烯多晶襯底的sem成像特性。

此外，當非惰性襯底暴露于大氣時，將形成表面氧化物層（Oxidation Layer），而由[石墨烯 ]覆蓋的區(qū)域?qū)⑷Q于條件而從沒有氧化到嚴重氧化。這種復雜的表面氧化異質(zhì)性也對[SEM ]的SEM表征的研究提出了更大的挑戰(zhàn)。

CVD法制備的多晶Cu基石墨烯是一種典型的具有多晶襯底和表面氧化層的襯底支撐系統(tǒng)。襯底的電子溝道效應(yīng)、襯底表面上的氧化層和成像參數(shù)都對[石墨烯 ]圖像的對比度產(chǎn)生影響，這對[SEM ]的可靠成像表征和解釋提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

在已有的單晶襯底石墨烯支持的掃描電鏡成像研究成果的基礎(chǔ)上，與黃玉東、張飛虎、馮志紅等研究人員合作，利用Zeiss熱場發(fā)射掃描電鏡，對甘陽、張丹等哈爾濱工業(yè)大學化工與化學學院的黃莉（論文第一作者）博士生進行了研究。通過系統(tǒng)深入的掃描電鏡成像表征研究，結(jié)合細致的實驗設(shè)計和模型分析，我們可以進一步探索和探究石墨烯電鏡圖像表征的奧秘

【成果簡介】

[ 甘陽教授課題組 ]系統(tǒng)地研究了各種[ 多晶襯 ]底支撐石墨烯體系的SEM成像特征，包括一系列具有不同表面氧化程度和覆蓋率的樣品，如非氧化多晶金基[ 石墨烯 ] （G/Au），多晶銅基[ 石墨烯 ]（CVD [ G/C ] u （襯底表面氧化，石墨烯局部覆蓋或全覆蓋）），以及人工轉(zhuǎn)移覆蓋的多晶銅石墨烯（G/Cu）通過改變樣品臺的加速電壓、工作距離和傾斜角度，結(jié)合Raman、[XPS ]和[ EDS ]的表征技術(shù)，探討了氧化物層在襯底表面上的綜合作用，多晶襯底部電子通道（ECC）效應(yīng)和成像參數(shù)對[石墨烯 ]對比度的影響。揭示了CVDG/Cu異常圖像閃爍現(xiàn)象的形成機理在此基礎(chǔ)上，他們發(fā)現(xiàn)對于復雜的cvdG/Cu樣品，e-t se探測器的主成像信號se1+se2在工作距離較大的情況下增強了石墨烯的衰減，并且晶體內(nèi)石墨ene比相鄰的襯底暗，從而可以實現(xiàn)襯底與石墨烯的正確區(qū)分。

然后，針對ecc對比度對g/cu和g/au樣品sem成像的干擾，提出了兩種消除多晶材料電子通道對比度的有效方法，實現(xiàn)了襯底與石墨烯的正確區(qū)分，有助于石墨烯層的準確識別。方法一：通過圖像處理軟件對每粒糧食的圖像亮度進行逐一調(diào)整，使每粒糧食的圖像亮度相同，消除糧食之間的電子通道對比度方法二：在掃描電鏡成像過程中，改變樣品臺的傾斜角度，使晶粒內(nèi)附近晶體表面的取向滿足電子通道效應(yīng)，消除晶粒間的電子通道對比度（圖4）

在兩篇發(fā)表的文章中，jap發(fā)表的文章在標題中借用了熟悉的兒歌《Twinkle Twinkle Little Star（一閃一閃小星星）》中的“Twinkle”一詞，暗示了上述多晶銅基cvd的sem成像顯示的石墨烯對比現(xiàn)象“閃爍”。MRE上發(fā)表的文章重寫了標題中的一句名言《Ashes to Ashes, and Dust to Dust（塵歸塵，土歸土）》到“Graphene to graphene, and substrate to substrate”，這意味著對于多晶襯底支持的石墨烯掃描電鏡成像表征，只有用適當?shù)姆椒ㄏ鼸CC，才能不干擾石墨烯的成像。達到正確區(qū)分石墨烯和多晶襯底的目的，實現(xiàn)多晶襯底支撐石墨烯系統(tǒng)可靠的掃描電鏡成像表征

【圖文導讀】

圖（E-T SE探測器信號）在樣品臺不同傾角下采集的CVD G/CU的掃描電鏡圖像（E-T SE探測器信號）顯示，石墨烯對比度隨樣品臺傾角的變化顯著“Twinkling（閃爍）”，且石墨烯比襯底“反常”亮。a）“Twinkling（閃爍）”°；b）5°；c）20°；圖像比例相同

圖（有氧化層）:VACC=2kV和WD=4mm條件下CVD G/cu的掃描電鏡圖像（E-T SE探測器信號，Vacc=2 kV和WD=4 mm），以及微區(qū)的拉曼表面掃描和點光譜結(jié)果。（a）sem圖像表明石墨烯的亮度與cu晶粒的取向有關(guān)。石墨烯在不同的銅中，晶粒可能比基體亮、暗或不易區(qū)分；b）沿著a）穿過晶粒ii和iii的灰度等值線的虛線；c）石墨烯分別為覆蓋區(qū)和裸基體區(qū)的拉曼光譜（有氧化層），結(jié)果表明：石墨烯覆蓋區(qū)未被氧化，裸對比區(qū)有氧化銅，圖示為微區(qū)拉曼表面的掃描圖像。所用樣品為cvd法制備的多晶銅基石墨烯（CVD G/Cu）。裸露的基材自然氧化并覆蓋石墨烯局個部分。

圖3上圖中相鄰晶粒II和晶粒III的掃描電鏡圖像中石墨烯及基板對比度形成機理示意圖。圖文章正文中ECC對比度的產(chǎn)生機理和氧化層對ECC的影響的示意圖；B）E-T SE探測器在圖文章正文的相應(yīng)區(qū)域中收集的BESs發(fā)射的數(shù)量和SE3和SE中石墨烯+SE2的數(shù)量的示意圖；箭頭的厚度表示電子數(shù)；c）圖文章正文中對應(yīng)區(qū)域的掃描電鏡圖像對比度變化示意圖。（具體解釋見文章正文）

圖4 不同加速電壓Vacc和工作距離WD組合對CVD G/Cu的E-T SE圖像襯度影響。a) Vacc=2 kV和WD=10 mm組合，wd=10mm時，石墨烯比裸基板亮的異?，F(xiàn)象更嚴重（甚至左上晶粒石墨烯和襯底無法區(qū)分）；b）當vacc=20kv，wd=45mm時，石墨烯都比基板暗，能正確區(qū)分石墨烯和裸基板的實現(xiàn)。左右圖像標尺相同。[一]

圖5 多晶Cu襯底上轉(zhuǎn)移的單層石墨烯樣品的SEM和Raman表征結(jié)果。 a) E-T SE圖像；b) Cu襯底和石墨烯覆蓋區(qū)域的Raman光譜，表明在[石墨烯 ]覆蓋區(qū)域和非覆蓋區(qū)域中的Cu基底被氧化，并且在[石墨烯 ]覆蓋區(qū)域中存在特征峰；C，[ d ]沿著中白色線實線的灰度值輪廓，這表明ECC對比取決于多晶的晶粒取向。銅基板，ecc對比度對石墨烯對比度的影響

在圖同上中，可以通過手動調(diào)整顆粒圖像的灰度值并傾斜樣本表（區(qū)域同上圖5）來實現(xiàn)ecc對比度的消除，然后可以正確區(qū)分實現(xiàn)石墨烯和裸基板。（左列）人工調(diào)整每個紋理的圖像灰度值（ImageJ軟件），成功地消除了ECC對比度（右列）樣品臺傾斜一定角度，消除了ECC對比度

【小結(jié)】

通過對多晶襯底支撐的石墨烯系統(tǒng)的掃描電鏡成像特征分析，發(fā)現(xiàn)石墨烯襯度會隨加速電壓變化顯著，樣品傾角（“閃爍”現(xiàn)象），石墨烯可能比襯底（“反?！币r度現(xiàn)象）亮，揭示了多晶襯底的ECC相互作用的影響機理。襯底表面自然氧化層和成像參數(shù)在[石墨烯 ]對比度。提出增加成像工作距離可以有效地消除石墨烯對比度的影響，并提出了兩種ECC推導方法（軟件處理法和傾轉(zhuǎn)樣品臺方法）來區(qū)分襯底與石墨烯對比度，準確識別層數(shù)

鑠思百檢測動態(tài)

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