CN105300882A - 利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法，利用对比度值C做出概率分布图，将该对比度值C与理论计算的对比度值C0进行比较，分辨出石墨烯不同层对应的峰位置；将概率分布图进行拟合，拟合得到分别对应不同层数的多个峰，并得到峰面积；利用得到的指定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法，判断石墨烯的层数率。该方法具有操作简单、效率高、成本低、误差小的特点，且可以用于判断不同衬底上不同方法制备的石墨烯的层数率，另外还可以判断其他二维纳米薄膜材料的层数率等优势。

Description

利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法

技术领域

本发明涉及一种利用光学显微镜图片精确判断石墨烯层数率的方法，特别是一种通过提取光学显微镜图像的G值来判断石墨烯层数率的方法，属于碳材料检测技术领域。

背景技术

石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。2004年，曼彻斯特大学AndreGeim教授领导的研究小组最先发现了石墨烯并立即引起了科学和工业界的广泛关注，石墨烯的发现者更于2010年获得了诺贝尔物理学奖。由于石墨烯平面内的碳原子结合力很强，很难被破坏，所以它具有很好的结构稳定性、热稳定性、以及化学稳定性。实验表明，石墨烯是现在世界上已知的最为牢固，韧性最好的材料。更为特殊的是，电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，有效质量接近于零，可以被近视认为是以光子的形式存在(速度是光速的1/300)。

伴随着石墨烯的发现，一系列奇特的物理现象也相继被发现，如异常的量子霍尔效应、由物理学精细结构常数所决定的石墨烯的吸收率及光导等。正由于这些特殊的性质，石墨烯在多个领域都有极其广泛的应用，如基于其优异的电学性能，可用于制备场效应晶体管等微电子器件；基于其高透光率、极高的导电性、超宽的光吸收范围(远红外到紫外)，可用于太阳能电池、光电探测器、调制器等光电器件等的开发和研究；基于其极高的比表面积(2630m²/g)，以及优秀的热、化学稳定性，可以用于作为储能器件，如锂离子电池，超级电容器等。

石墨烯的制备方法有很多种，如通过机械剥离法可以从石墨表面直接剥离出石墨烯，又比如可以通过加热裂解法在碳化硅晶体表面生长出石墨烯，通过化学气象沉积法(CVD)也可以在镍、铜等金属表面生长出单层和多层的石墨烯，另外通过氧化石墨并还原的方法也能得到大规模的石墨烯粉末。

在石墨烯的研究与应用过程中，精确地判断石墨烯的层数(层间距为0.34nm)和层数率是至关重要的。目前有多种方法可以判断石墨烯的厚度，如原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、对比度谱等。

但是还没有简单有效的判定石墨烯层数率的方法。目前仅有用原子力显微镜获得石墨烯的厚度，然后用统计厚度分布的方法统计石墨烯单层率，但是其效率很低。且样品与衬底之间的材质不同导致了单层样品的检测结果有误差。成本较高，而且必须用昂贵的原子力显微镜，在一定程度上局限了该方法的广泛使用。

在研究和生产过程中，要检测所获得样品的层数率和判断样品质量。因此，急需一种操作简单、效率高、误差小、对仪器设备要求不高且成本较低的方法来判断石墨烯的层数率。

发明内容

本发明提出一种利用光学显微镜图片精确判断石墨烯层数率的方法，以解决目前其他方法效率低、操作复杂、准确度不高、且成本较高等问题。

本发明的技术解决方案是：

一种利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法，

步骤一：利用显微镜拍下在特定衬底上石墨烯样品的光学图片以及相同光场下若干幅空衬底的光学图片；

步骤二：理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，并计算出不同厚度石墨烯在G刺激值范围内的对比度的平均值C₀

步骤三：使用matlab软件将多幅空衬底的光学图片上所有像素点的R、G、B三色的刺激值分别提取出来；

步骤四：将多幅空衬底的光学图片上所有像素点的G值取平均，得到G_衬底矩阵；

步骤五：将石墨烯样品上的G_石墨烯值与衬底的G_衬底值对应点之间进行比较，对应点之间进行比较有效减小了光场不均引起的误差，得出对比度值C＝(G_衬底-G_石墨烯)./G_衬底，其中，‘./’为matlab中矩阵对应元素点之间相除的符号；

步骤六：利用对比度值C做出概率分布图，将该对比度值C与理论计算的对比度值C₀进行比较，分辨出石墨烯不同层对应的峰位置；

步骤七：将概率分布图进行拟合，拟合得到分别对应不同层数的多个峰，并得到峰面积；

步骤八：利用得到的指定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法，判断石墨烯的层数率。

进一步地，步骤一中，空衬底的光学图片为若干副同样尺寸设置且在光场强度相同下进行采集的图片，特定衬底采用300nmSiO₂/Si衬底。

进一步地，步骤七中，使用数学软件将概率分布图进行拟合，如使用renishaw软件。

进一步地，步骤四与步骤五中，采用R值或者B值来进行处理和比较。

本发明的有益效果是：该方法具有操作简单、效率高、成本低、误差小的特点，且可以用于判断不同衬底上不同方法制备的石墨烯的层数率，另外还可以判断其他二维纳米薄膜材料的层数率等优势。相对于原子力显微镜扫描再处理方法得到层数率的方式，该方法操作更为便捷、效率更高且设备成本更低；该方法精度更高、且可以获得不同方法制备的石墨烯的层数率，如无序堆积的多层CVD石墨烯、机械剥离石墨烯等；该方法不需要光谱仪，仅需要常用的光学显微镜，然后利用常用数学软件(如matlab等)进行图片处理即可。成本更低、操作也更简单易行。

附图说明

图1是本发明实施例一中石墨烯在衬底上的光学图片的示意图；

图2是实施例一中衬底上的光学图片的R，G，B三色的刺激值提取出来的示意图；

图3是实施例一中利用对比度值C做出概率分布示意图；

图4是实施例一中将概率分布图进行拟合的示意图；

图5是本发明实施例二中石墨烯在衬底上的光学图片的示意图；

图6是实施例二中衬底上的光学图片的R,G,B三色的刺激值提取出来的示意图；

图7是实施例二中利用对比度值C做出概率分布示意图；

图8是实施例二中将概率分布图进行拟合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

利用光学显微镜拍下石墨烯在衬底上的光学图片以及相同光场下空衬底的光学图片，然后利用matlab或其他软件，如colorspy等将图片的R、G、B三色的刺激值提取出来。然后将石墨烯样品上的刺激值与多幅空衬底平均后的刺激值进行比较(对应点之间进行比较)，得出对比度值C＝(刺激值_衬底-刺激值_石墨烯)/刺激值_衬底。最后将该对比度值与理论计算获得的对比度值C₀进行比较，利用特定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法可以精确地判断石墨烯的层数率。

该种利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法，通过以下步骤实现：

步骤一：利用显微镜拍下在特定衬底上石墨烯样品的光学图片以及相同光场下若干幅空衬底的光学图片；空衬底的光学图片为若干副同样尺寸设置且在光场强度相同下进行采集的图片。

步骤二：理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，并计算出不同厚度石墨烯在G刺激值范围内的对比度的平均值C0

步骤三：使用matlab软件将多幅空衬底的光学图片的R、G、B三色的刺激值分别提取出来；

步骤四：将多幅空衬底的光学图片的G值取平均，得到G衬底矩阵；

步骤五：将石墨烯样品上的G石墨烯值与衬底的G衬底值对应点之间进行比较，对应点之间进行比较有效减小了光场不均引起的误差，得出对比度值C＝(G衬底-G石墨烯)./G衬底，其中，‘./’为matlab中矩阵对应元素点之间相除的符号；依据不同的衬底，可采用R值或者B值来进行处理和比较。

步骤六：利用对比度值C做出概率分布图，将该对比度值C与理论计算的对比度值C0进行比较，分辨出石墨烯不同层对应的峰位置；

步骤七：将概率分布图进行拟合，拟合得到分别对应不同层数的多个峰，并得到峰面积；

步骤八：利用得到的指定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法，判断石墨烯的层数率。

其中，matlab处理程序说明：

1)输入样品光学图像a：

2)输入多幅空衬底光学图像(b1、b2、b3…)，并将G值取平均，来修正光场用；

3)求修正后对比度图像；

4)输出对比度的概率分布图；

5)用数学软件进行拟合，对应理论值，识别不同层数石墨烯的对应峰；

6)利用得到的指定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法，求出层数率。

参照以上步骤，进行实施具体说明。以下实例中，拍摄光学图片时的注意事项：

1)显微镜参数设置：

水平偏移：0；垂直偏移0；红增益10；兰增益2；绿增益1；曝光时间1024；gama值100；采集帧数1；尺寸2592*1944；选择缩放模式。

2)拍摄每组图片时注意选择同样尺寸设置，另外要保证光场强度相同，过程中不可以该变视场中光场亮度。

3)用数学软件拟合，可用用特定程序将得到的数据转换成列，然后进行拟合。

实施例一

实施例中有单、双层和三层的石墨烯样，按如下步骤实施：

1)利用显微镜拍下在300nmSiO₂/Si衬底上CVD石墨烯样品的光学图片如图1以及相同光场下十幅空衬底的光学图片。

2)理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，并计算出不同厚度石墨烯在G刺激值范围内的对比度的平均值C₀。

3)用matlab或其他软件将图片的R，G，B三色的刺激值提取出来。如图2所示。

4)将多幅空衬底图片各个像素点G值取平均，以减小拍摄误差，得到G_衬底矩阵。

5)将石墨烯样品上的G_石墨烯值与衬底的G_衬底值对应点之间进行比较(对应点之间进行比较有效减小了光场不均引起的误差)，得出对比度值C＝(G_衬底-G_石墨烯)./G_衬底(‘./’为matlab中矩阵对应元素点之间相除的符号)。

6)利用对比度值C做出概率分布图，如图3，将该对比度值C与理论计算的对比度值C₀进行比较，分辨出石墨烯不同层对应的峰位置。

7)将概率分布图进行拟合如图4，得到各峰面积。

8)利用得到的指定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法，可以精确的判断石墨烯的层数率：

单层率0.62608

双层率0.36630

三层率0.00762

实施例二

实施例有衬底、单、双层和三层的CVD石墨烯样品，按如下步骤实施：

1)利用显微镜拍下在300nmSiO₂/Si衬底上CVD石墨烯样品的光学图片如图5以及相同光场下十幅空衬底的光学图片。

2)理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，并计算出不同厚度石墨烯在G刺激值范围内的对比度的平均值C₀。

3)用matlab或其他软件将图片的R，G，B三色的刺激值提取出来。如图6所示。

4)将多幅空衬底G值取平均，以减小拍摄误差，得到G_衬底矩阵。

5)将石墨烯样品上图片各个像素点的G_石墨烯值与衬底的G_衬底值对应点之间进行比较(对应点之间进行比较有效减小了光场不均引起的误差)，得出对比度值C＝(G_衬底-G_石墨烯)./G_衬底(‘./’为matlab中矩阵对应元素点之间相除的符号)。

6)利用对比度值C做出概率分布图如图7，将该对比度值C与理论计算的对比度值C₀进行比较，分辨出石墨烯不同层对应的峰位置。

7)将概率分布图进行拟合如图8，得到各峰面积。

8)利用得到的指定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法，可以精确的判断石墨烯的层数率，e为峰对应对比度值：

衬底率0.15954

单层率0.48793

双层率0.33448

三层率0.01805。

Claims (4)

1.一种利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法，其特征在于，

步骤一：利用显微镜拍下在特定衬底上石墨烯样品的光学图片以及相同光场下若干幅空衬底的光学图片；

步骤二：理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，并计算出不同厚度石墨烯在G刺激值范围内的对比度的平均值C₀

步骤三：使用matlab软件将多幅空衬底的光学图片上所有像素点的R、G、B三色的刺激值分别提取出来；

步骤四：将多幅空衬底的光学图片上所有像素点的G值取平均，得到G_衬底矩阵；

步骤五：将石墨烯样品上所有像素点的G_石墨烯值与衬底的G_衬底值对应点之间进行比较，得出对比度值C＝(G_衬底-G_石墨烯)./G_衬底，其中，‘./’为matlab中矩阵对应元素点之间相除的符号；

步骤六：利用对比度值C做出概率分布图，将该对比度值C与理论计算的对比度值C₀进行比较，分辨出石墨烯不同层对应的峰位置；

步骤七：将概率分布图进行拟合，拟合得到分别对应不同层数的多个峰，并得到峰面积；

步骤八：利用得到的指定拟合峰面积与各拟合峰面积之和相比的方法，判断石墨烯的层数率。

2.如权利要求1所述的利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法，其特征在于：步骤一中，空衬底的光学图片为若干副同样尺寸设置且在光场强度相同下进行采集的图片，特定衬底采用300nmSiO₂/Si衬底。

3.如权利要求1或2所述的利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法，其特征在于：步骤七中，使用数学软件将概率分布图进行拟合。

4.如权利要求1或2所述的利用光学显微镜图片判断石墨烯层数率的方法，其特征在于：步骤四与步骤五中，采用R值或者B值来进行处理和比较。