CN103376339B - 一种基于原子力显微术的石墨烯晶向快速检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石墨烯晶向检测技术,具体是一种基于原子力显微术的石墨烯晶向快速检测方法,主要用于石墨烯加工制造领域。本发明采用AFM摩擦力扫描成像技术,在石墨烯材料上任意位置获取一条扫描摩擦力曲线,对该扫描数据运用小波变换和快速傅立叶变换,可提取出该摩擦力扫描线所包含的石墨烯原子的功率谱分布信息,进而作出石墨烯不同晶向的判别。本发明可在室温大气环境下,快速、方便、准确地实现石墨烯晶向的判别,具有重要的实用意义。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯晶向检测技术,具体是一种基于原子力显微术的石墨烯晶向快速检测方法,主要用于石墨烯加工制造领域。
背景技术
石墨烯具有优异的电学、物理和机械性能,在纳米器件方面已表现出不凡的性能,如高速自冷却FET、高灵敏传感器、超级电容等。近来,IBM成功研制出了迄今为止运行速度最快的射频石墨烯晶体管,其截止频率高达155GHz,远远超过目前最先进的具有相同栅极长度的硅晶体管(40GHz)。石墨烯被普遍认为是下一代芯片制造的理想材料。
然而,本征石墨烯没有能隙,因此石墨烯基晶体管无法被完全关闭,并不能实现传统晶体管的功能,这一缺陷将极大地限制它在纳米半导体器件方面的应用。理论和实验研究表明,石墨烯的电学性质与其边缘结构、几何构型密切相关,根据边缘结构不同,石墨烯可以显现不同电特性,其能隙宽度由其几何构型所决定。因此,有效的石墨烯结构切割剪裁技术可以实现其电学特性的调控,进而推动石墨烯基纳米器件的广泛应用。
目前已有的石墨烯切割剪裁技术,虽然能够在石墨烯上构建纳米结构,但是都为“盲加工”,是缺乏石墨烯晶格方向指导下的切割剪裁。无法实现具有特定边缘结构的几何构型剪裁,而研究表明,依据不同的边缘结构,石墨烯将呈现出不同的电学性质(金属性或半导体性)。因此,急需建立一种快速、有效的石墨烯晶向检测方法,在切割剪裁前,快速、准确地将石墨烯的晶向检测出来。这将极大地推进石墨烯在纳米器件方面的应用,对制造领域和国民经济意义重大。但目前还没有这方面的报道。
发明内容
针对现有技术的上述不足之处,本发明的目的是提供一种基于原子力显微术的石墨烯快速检测方法,可在室温、大气环境下在晶圆级大面积石墨烯上实现晶向的快速、准确检测,从而为特定边缘结构石墨烯基纳米器件的制造奠定基础。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种基于原子力显微术的石墨烯晶向快速检测方法,包括以下步骤:
利用原子力显微镜在石墨烯样品上任意获取一条摩擦力扫描线,得到该扫描线的摩擦力信号;
对所述扫描线数据进行快速傅立叶变换,依据功率谱设计离散小波变换;
对所述扫描线数据小波变换进行分解,提取相关频域的摩擦力信号的数据;
对小波变换后的摩擦力数据进行快速傅立叶变换,获得摩擦力功率谱分布;
根据功率谱分布的不同进行石墨烯不同晶向的判别。
所述摩擦力扫描线不小于5nm。
所述小波变换为
其中,x()是原子力显微镜臂梁获取的摩擦力信号的采样信号;ψ*()是用于逼近采样信号的小波基函数;a为伸缩因子,表示与频率相关的伸缩,用于逼近x();X为被分析信号;n为采样点求和系数;i表示时间平移因子,表示在所有时间内进行变换;Ts为采样间隔,即相邻两次采样间的时间间隔;DWTx(iTs,a)表示离散小波变换,是连续小波变换的采样形式。
所述快速傅立叶变换为
其中,x()是小波变换后的摩擦力信号的采样信号,n为采样信号的长度,即表示采样点个数,k为求和参数。
本发明具有以下优点:
1.本发明利用AFM(原子力显微镜)控制技术快速获取一条摩擦力扫描线信息,并运用信号处理的知识,对获取的信息进行小波变换,经过FFT后根据功率谱分布不同判别石墨烯晶格方向;
2.本发明可在室温大气环境下,快速、方便、准确地实现石墨烯晶向的判别,具有重要的实用意义。
附图说明
图1是本发明的流程图;
图2是石墨烯样本的AFM扫描图像;其中,图2(a)是石墨烯样本的高度图像;图2(b)是图2(a)白线指示处石墨烯的高度分析曲线;
图3是获取的摩擦力信号图;
图4是摩擦力信号的小波分解图;
图5是摩擦力信号的小波变换信号分解图;
图6是获取的摩擦力信号功率谱图;
图7是石墨烯不同晶向的功率谱分布图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
图1为本发明的实施流程图。本发明的一个实施例的具体步骤为:
1)、使用AFM摩擦力扫描模式,在图2(a)所示的石墨烯样本上获取一条摩擦力扫描线,进行高度分析(如图2(b)所示)。在本实施例中可以看出,虚线指示的高度差为2.647nm,即石墨烯的厚度。这说明样本是石墨烯而非石墨(当厚度超过3.34nm即为石墨)。摩擦力信号即采集的悬臂梁水平扭转信号。得到如图3的数据,其中横坐标为扫描线长度,纵坐标为摩擦力。
2)、在进行小波变换之前需要首先对悬臂梁获取的摩擦力信号进行一次FFT(傅里叶)变换,依据功率谱设计离散小波变换,通过小波变换保留相关频域,即功率谱密度较大的频域信号,依据功率谱设计离散小波变换。本实施例采用4层离散小波变换分解:由于采样点为512,扫描频率为39.5Hz,因此原始采用频率为20224Hz。根据香农采样定理A0=10112Hz,应用离散小波变换进行分解,
如图4所示。图5给出小波变换信号的分解图,其中x为原始信号,d1、d2、d3、d4和a4分别对应图4中D1、D2、D3、D4和A4频域的信号。
3)、运用FFT,根据晶格周期性规律,去掉多余频域信息,得到有效功率谱对应的有效频率分布(948Hz和1738Hz),如图6所示,横坐标为频率,纵坐标为功率谱密度。
4)、根据有效频率分布,可以做出晶格方向(zigzag或armchair)的判断;
图7给出了不同晶向与对应功率谱的对应情况。第一行图示,左侧为AFM的石墨烯成像;在该样本上,随机做摩擦力扫描,扫描角度为55°,长度5nm,获取3条摩擦力扫描线,分别用所得到的摩擦力扫描信息,运用上述方法,得到判别的晶向为armchair;
第二行和第三行图示意义同上,分别在扫描角度为85°和115°时,所得到的晶向判别为zigzag(锯齿型)和armchair(扶手椅型)。
右侧分别对应原子图像上L=58、L=116和L=216行处的扫描线所得到的功率谱分布以及仿真结果,可以看出,armchair晶向(scan angle分别为55°和115°)功率谱分布两个尖峰,而zigzag晶向(scan angle为85°)功率谱仅分布一个尖峰。
Claims (4)
1.一种基于原子力显微术的石墨烯晶向快速检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
利用原子力显微镜在石墨烯样品上任意获取一条摩擦力扫描线,得到该扫描线的摩擦力信号;
对所述扫描线的摩擦力信号进行快速傅立叶变换,依据功率谱设计离散小波变换;
对所述扫描线的摩擦力信号小波变换进行分解,提取功率谱密度较大的频域的摩擦力信号的数据;
对小波变换后的摩擦力数据进行快速傅立叶变换,获得摩擦力功率谱分布;
根据功率谱分布的不同进行石墨烯不同晶向的判别。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子力显微术的石墨烯晶向快速检测方法,其特征在于,所述摩擦力扫描线不小于5nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于原子力显微术的石墨烯晶向快速检测方法,其特征在于,所述小波变换为
其中,x(nTs)是原子力显微镜臂梁获取的摩擦力信号的采样信号;是用于逼近采样信号的小波基函数;a为伸缩因子,表示与频率相关的伸缩,用于逼近x(nTs);x为被分析信号;n为采样点求和系数;i表示时间平移因子,表示在所有时间内进行变换;Ts为采样间隔,即相邻两次采样间的时间间隔;DWTx(iTs,a)表示离散小波变换,是连续小波变换的采样形式。
4.根据权利要求1所述的一种基于原子力显微术的石墨烯晶向快速检测方法,其特征在于,所述快速傅立叶变换为
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