CN105699702A - 一种测量石墨烯与金属表面间距的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱仪和导电原子力显微镜的石墨烯与金属表面间距测量方法，该方法利用石墨烯-金属结在特定电压下可以在大气环境中发光的现象，以光谱仪配合导电原子力显微镜，实现控制探针移动，测量相应电压，提取到ΔE_F的平均值，根据ΔE_F和d的对应关系，得到发光点处石墨烯与金属表面间距d，最后得到样品的间距分布图。

Description

一种测量石墨烯与金属表面间距的方法

技术领域

本发明属于微纳器件技术领域，具体涉及一种基于光谱仪和导电原子力显微镜的石墨烯与金属表面间距测量方法。

背景技术

理解石墨烯与金属的接触特性具有科学和技术价值，对接触处的能带结构而言，两者的表面间距是一个重要参数(Xia,Fengnian,etal."Theoriginsandlimitsofmetal-graphenejunctionresistance."Naturenanotechnology6.3(2011):179-184.)。石墨烯表面的起伏(Giovannetti,G.,etal."Dopinggraphenewithmetalcontacts."PhysicalReviewLetters101.2(2008):026803.)和金属表面的粗糙程度(Wintterlin,Joost,andM-L.Bocquet."Grapheneonmetalsurfaces."SurfaceScience603.10(2009):1841-1852)使得间距在空间分布上变化不定，而现有的测量手段难以有效测量这一间距。

原子力显微镜(AFM)反映物体表面的高度起伏；扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)反映样品表面微观结构；拉曼光谱(Ramanspectra)反映分子结构的信息，通常可用来判断石墨烯的层数和缺陷情况。以上常见的纳米技术表征手段均无法直接测量石墨烯与金属接触的表面间距。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于光谱仪和导电原子力显微镜的石墨烯与金属表面间距测量方法。

为达到本发明的上述目的，本发明提供的测量石墨烯与金属表面间距的方法，步骤包括：

1)在金属表面合成单层石墨烯薄膜；

2)在暗场环境下，将样品放置在导电原子力显微镜的样品台上，探针接触在石墨烯表面，在石墨烯和金属间形成导电回路；

3)在不超过最大电流10mA的情况下，光谱仪第一次捕捉到光信号时，记录此时的电压V_min，继续升高电压至光谱仪探测波长最小值不再继续减小时，记录此时的电压

4)记录相应的V_min、提取到ΔE_F的平均值，根据ΔE_F和d的对应关系，得到发光点处石墨烯与金属表面间距d。

本发明基于石墨烯-金属结在特定电压下可以在大气环境中发光的现象，以光谱仪配合导电原子力显微镜，实现程序自动控制探针移动。在热平衡状态下，金属对石墨烯有等效掺杂作用(Giovannetti,G.,etal."Dopinggraphenewithmetalcontacts."PhysicalReviewLetters101.2(2008):026803.)，石墨烯狄拉克点偏离费米能级。由于电荷移动，在两者接触面上形成等效平行板电容器(Khomyakov,P.A.,etal."First-principlesstudyoftheinteractionandchargetransferbetweengrapheneandmetals."PhysicalReviewB79.19(2009):195425.)。与传统的金半接触不同的是，除去两者功函数的差异，表面间距(d)同样影响石墨烯费米能级相对于狄拉克点的变化(ΔE_F)，对于某些金属而言(Al、Ag、Cu、Au)，石墨烯与金属的接触既没有破坏石墨烯的基本能带结构，而且ΔE_F与间距d存在一一对应的关系，如图2所示(Giovannetti,G.,etal."Dopinggraphenewithmetalcontacts."PhysicalReviewLetters101.2(2008):026803.)。

本发明具有如下优点：

1)测试在常温、大气环境下即可完成，过程简单，容易实现。

2)测试精度较高。实际发光斑点大小约为1um²，导电原子力显微镜的探针最小移动精度可达1nm。关于间距精度，与金属种类、电压测量精度有关，若电压测量精度可达1mV，则间距测量精度能达到量级。

3)测试对象广泛。对金属的要求为：所有能带结构不被接触面相互作用剧烈改变、ΔE_F与d有一一对应关系，常见金属中，Al、Ag、Cu、Au均满足要求；对石墨烯的要求为：单层石墨烯最好，任意方式得到的石墨烯(机械玻璃、CVD生长和其他方法)均可，层数增加时，在一定误差范围内，也可以测量；对于器件结构的要求：任意石墨烯-金属的接触结构，只要可以通过探针在石墨烯、金属之间加电压，均可以测量两者之间的间距。

4)测试过程自动化程度高。只要事先编好程序，选定特定的区域和测量精度，即可让光谱仪和导电原子力显微镜的相互配合，自动输出间距分布图。

附图说明

图1为本发明石墨烯与金属表面间距测量方法的实施例流程图；

图2为ΔE_F与间距d对应关系示意图；

图3为本发明测量方法采用的测试仪的示意图。

其中1—石墨烯1；2—金属；3—导电原子力显微镜探针；4—光谱仪探头；5—光线。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

1)在金属上合成单层石墨烯薄膜

在H₂、Ar气体环境中将Cu箔加热至1000℃左右，再通入CH₄，在Cu箔表面裂解为C和H，C被Cu箔吸附。之后在H₂、Ar气体环境中冷却Cu箔，在冷却过程中C析出，形成单层的石墨烯在Cu箔的表面。

2)测量前期准备

参见图3，将样品放置在导电原子力显微镜的样品台上，探针接触在石墨烯表面，在石墨烯和金属间形成导电回路。然后保证整个测试区域在暗场环境下。d₀为金属与石墨烯之间范德瓦耳斯作用力的间距，d₁、d₂和d_i(i＝3,4,5……)均为待测实际间距。石墨烯1在金属2上方，导电原子力显微镜探针3将电压加在石墨烯1和金属2之间，光谱仪探头4同时捕捉可能发出的光线5。导电原子力显微镜在石墨烯1和金属2之间形成导电通路，产生场致发光现象。

根据实验经验，设置电压从0V开始增加，以1mV的步长增加，每个电压值停留10S。为了保护样品不被烧毁，设置最大电流为10mA。

计算间距精度：考虑最坏情况，当d较大时，ΔE_F的变化比较缓慢，d变化时，ΔE_F变化约0.005eV。探针台的电压测量精度为0.001V，则d的测量精度为设置测量范围1.5μm×1.5μm的正方形区域，位置精度5nm。

3)得到ΔE_F的范围

根据实验的设定值，仪器将按照图1中流程框图的要求，执行程序。

在不超过最大电流10mA的情况下，电压从零开始每次增加1mV，每次停留10s。光谱仪第一次捕捉到光信号时，记录此时的电压V_min。继续升高电压至光谱仪探测波长最小值不再继续减小时，记录此时的电压[V_min，]即ΔE_F的范围。如果在电流达到最大值时，仍未能得到V_min、标记该点超过量程。

之后将光谱仪、探针电压初始化，移动到下一个点，重复以上的过程，直至测量结束。

4)得到表面间距的测试结果

根据事先输入的第一性原理计算结果和金属种类，由ΔE_F的范围确定对应的间距d的范围，取最大、最小值的算术平均值作为这一点处的间距值。(在此以Cu为例，事实上Au、Ag、Cu、Al均满足要求，Pt的ΔE_F与d不是一一对应，不适用于此方法。)再将不同位置的间距值汇总作图。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种测量石墨烯与金属表面间距的方法，步骤包括：

1)在金属表面合成单层石墨烯薄膜；

2)将样品放置在导电原子力显微镜的样品台上，探针接触在石墨烯表面，在石墨烯和金属间形成导电回路；

3)在不超过预先设定的最大电流的情况下，在暗场环境下，光谱仪第一次捕捉到光信号时，记录此时的电压V_min，继续升高电压至光谱仪探测波长最小值不再继续减小时，记录此时的电压

4)记录相应的V_min、提取到ΔE_F的平均值，根据ΔE_F和d的对应关系，得到发光点处石墨烯与金属表面间距d。

2.如权利要求1所述的测量石墨烯与金属表面间距的方法，其特征在于，所述步骤3)中电压从零开始每次增加相同的步长，每次停留相同时间。

3.如权利要求1所述的测量石墨烯与金属表面间距的方法，其特征在于，所述金属为Al、Ag、Cu、Au。