CN105717148A - 一种碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法。本发明属于光谱分析技术领域。碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法，工艺步骤：(1)利用热解外延法在碳化硅的硅面生长出具有厚度层数的石墨烯样品；(2)利用X射线光电子能谱对样品进行测量；(3)利用扫描到的XPS能谱，计算284.5eV处C-C键中的C1s电子的衍射光子积分强度，以及282.9eV处Si-C键中的C1s电子的衍射光子积分强度；(4)将衍射光子积分强度带入到衍射光子积分强度与石墨烯厚度的函数关系式中，求出样品的石墨烯厚度；(5)将石墨烯厚度与石墨烯的原子层间距作比，得到样品石墨烯的层数。本发明具有快速、准确测量，无需将石墨烯从基底上剥离，无损测量，方便器件加工和性能测试等优点。

Description

一种碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，特别是涉及一种碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法。

背景技术

石墨烯作为一种新型的纳米材料，在光、电、磁领域均具有极其优越的性能。石墨烯与C₆₀和金刚石相同，都是碳的同素异形体，碳原子以sp²杂化方式成键，构成类似于蜂巢状的六边形结构，六边形平面逐层堆叠，形成了具有特殊能带结构的纳米材料——石墨烯。

目前，在碳化硅表面生长石墨烯已经成为了一项较为成熟的石墨烯的制备手段，在一定条件下除去碳化硅表面的硅原子，余下的碳原子遵循能量最低原理进行自组装排列形成石墨烯。当石墨烯的层数大于10层时，特性就会逐渐向堆叠石墨过渡，各项性能均会显著降低，因此石墨烯层数的检测对于石墨烯的制备有着重要意义。但传统的薄膜检测仪器例如台阶仪，难以精确测量纳米级尺寸的薄膜厚度值；透射电子显微镜是较为直观的检测手段，但碳化硅基底的不透明性极大的限制了此项技术的应用；拉曼光谱和原子力显微镜更多的适用于机械剥离所得到的石墨烯，若用来检测碳化硅表面的石墨烯，常会收到来自基底的碳化硅信号的影响。由于上述各项检测手段均不适用于碳化硅表面生长的石墨烯层数的直接测量，存在无法快速、准确、直接测量碳化硅表面生长的石墨烯层数等技术问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法。

本发明的目的是提供一种具有快速、准确测量在碳化硅表面生长的石墨烯层数，无需将石墨烯从基底上剥离下来，实现了无损测量，方便对碳化硅表面的石墨烯进行器件加工和性能测试等特点的碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法。

本发明以X射线光电子能谱(XPS)为主要检测手段，XPS能够检测出原子或分子内部各轨道的结合能，由于随着样品表面石墨烯层数的增加，C-C键和C-Si键的C1s电子结合能处的峰强比会随之增大，根据此函数关系，便可以快速准确的测量出碳化硅表面的石墨烯层数。

本发明碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法所采取的技术方案是：

一种碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法，其特点是：碳化硅基底上的石墨烯的层数测量过程包括以下工艺步骤：

(1)利用热解外延法在碳化硅的硅面生长出具有厚度层数的石墨烯样品；

(2)利用X射线光电子能谱对样品进行测量，扫描范围为280eV至290eV，选取不同的光子衍射接收角θ，记录下不同θ值所对应的XPS能谱；

(3)利用扫描到的XPS能谱，计算284.5eV处C-C键中的C1s电子的衍射光子积分强度，以及282.9eV处Si-C键中的C1s电子的衍射光子积分强度；

(4)将计算得到的衍射光子积分强度带入到衍射光子积分强度与石墨烯厚度的函数关系式，利用不同衍射角下的数据进行线形拟合，求出样品的石墨烯厚度；

(5)将计算得到的石墨烯厚度与石墨烯的原子层间距作比，得到样品石墨烯的层数。

本发明碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法还可以采用如下技术方案：

所述的碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法，其特点是：X射线光电子能谱对样品进行测量时，X射线的入射角固定为45°，每次改变的光衍射角θ是衍射光线与法线的夹角。

本发明所适用的石墨烯样品为碳化硅表面生长的石墨烯样品，样品无需从碳化硅基底上剥离。在进行XPS能谱测量前，须用纯净氮气对样品表面进行时长30s的吹扫，以去除样品表面吸附的灰尘及杂质。在进行XPS能谱测量时，X射线的入射角固定为45°，每次改变的光衍射角θ是衍射光线与法线的夹角，此几何关系如图1所示。由于样品的位置不发生改变，每一组衍射角所对应的石墨烯厚度是一致的，因此可以用不同衍射角所对应的能谱数据进行线形拟合。

本发明具有的优点和积极效果是：

碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1.利用本发明可以快速、准确的测量在碳化硅表面生长的石墨烯层数，无需将石墨烯从基底上剥离下来，实现了无损测量，方便对碳化硅表面的石墨烯进行器件加工和性能测试。

2.通过移动XPS仪器的载物台，可以实现对石墨烯样品表面进行区域性的扫描检测，从而给出厚度的区域分布图，有利于进一步检测样品生长的均匀性。

附图说明

图1为本发测量过程中X射线的入射方向与各衍射光子的接收方向示意图，测量过程中仅改变衍射光子的接收方向。

图2为不同光子衍射角下样品的XPS能谱，扫描范围为280eV至290eV，不同能量处的峰的强弱，反映了样品中具有此结合能的电子的多少。其中石墨烯中的C1s电子结合能为284.5eV，碳化硅中的C1s电子结合能为282.9eV。石墨烯的层数越多，284.5eV处的峰强相对越强，282.9eV处的峰强则相对越弱。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1和图2。

实施例1

一种碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法，包括以下测量步骤：

(1)以4H-SiC为衬底，利用热解外延法在衬底硅面生长出一定层数的石墨烯。

(2)对石墨烯样品表面进行30s的氮气吹扫，以除去附着的灰尘及杂质颗粒。

(3)测量样品的XPS能谱，扫描能量范围为280eV至290eV。X射线的入射角为45°，光电子的衍射接收角为θ，取值分别为15°，30°，45°，60°，75°，记录下选取不同的θ值时样品的XPS能谱，能谱图如图2所示。

(4)根据测量所得的XPS能谱，计算284.5eV和282.9eV处的峰的积分强度。其中284.5eV是石墨烯的C-C键中C1s电子的结合能，积分强度记N_G(θ)；282.9eV是碳化硅的Si-C键中C1s电子的结合能，积分强度记为N_SiC(θ)。

(5)将上述所得数据代入到公式

$\ln (\frac{N_G\left(\mathrm{\θ}\right)}{N_{\mathrm{SiC}}\left(\mathrm{\θ}\right)}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SiC}}}\·\frac{{\mathrm{\Λ}}^G\left(E_{C1s}\right)}{{\mathrm{\Λ}}^{\mathrm{SiC}}\left(E_{C1s}\right)}+1)=\frac{t}{A^G\left(E_{C1s}\right)}\·\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}$ 中，其中N_G(θ)和N_SiC(θ)分别为284.5eV和282.9eV处的峰的积分强度，ρ_G和ρ_SiC分别是石墨烯和碳化硅衬底的原子密度，Λ^G(E_C1s)和Λ^SiC(E_C1s)分别是石墨烯和碳化硅中动能为E_C1s的光电子的衰减长度，t为石墨烯的厚度，θ为衍射光子接收角。

(6)公式中的不变量Λ^G(E_C1s)＝3.10nm，Λ^SiC(E_C1s)＝2.58nm，原子密度可以由物质密度ρ′_G和ρ′_SiC以及摩尔质量M_G和M_SiC推出：

$\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SiC}}}=\frac{{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_G/M_G}{2{{\mathrm{\ρ}}^{\′}}_{\mathrm{SiC}}/M_{\mathrm{SiC}}}=\frac{2.26/12}{2\×3.22/40}$

(7)对于每一个衍射角θ，均有一组N_G(θ)和N_SiC(θ)的值，为了提高结果的准确度，需要充分利用每一组数据。观察层数计算公式发现公式等号左侧的“ $\ln (\frac{N_G\left(\mathrm{\θ}\right)}{N_{\mathrm{SiC}}\left(\mathrm{\θ}\right)}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{SiC}}}\·\frac{{\mathrm{\Λ}}^G\left(E_{C1s}\right)}{{\mathrm{\Λ}}^{\mathrm{SiC}}\left(E_{C1s}\right)}+1)$ ”与等号右侧的“ $\frac{1}{{\mathrm{\Λ}}^G\left(E_{C1s}\right)}\·\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}$ ”存在线性关系，其斜率恰好为石墨烯的厚度t，因此可以利用上述的五组数据计算线性关系，不同衍射接收角θ下的N_G(θ)和N_SiC(θ)如下表所示：

θ	NG(θ)	NSiC(θ)
			15°	702.28	529.82
30°	560.95	380.10
			45°	452.06	220.90
60°	230.80	70.02
			75°	186.60	20.94

最终确定出斜率t的值为1.682nm。

(8)根据石墨烯的原子层间距0.335nm，计算出石墨烯的层数n＝t/0.335＝5.020。即实施例中样品表面的石墨烯层数为5层。

本实施例具有所述的快速、准确测量在碳化硅表面生长的石墨烯层数，无需将石墨烯从基底上剥离下来，实现了无损测量，方便对碳化硅表面的石墨烯进行器件加工和性能测试等积极效果。

Claims (2)

1.一种碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法，其特征是：碳化硅基底上的石墨烯的层数测量过程包括以下工艺步骤：

(1)利用热解外延法在碳化硅的硅面生长出具有厚度层数的石墨烯样品；

(2)利用X射线光电子能谱对样品进行测量，扫描范围为280eV至290eV，选取不同的光子衍射接收角θ，记录下不同θ值所对应的XPS能谱；

(3)利用扫描到的XPS能谱，计算284.5eV处C-C键中的C1s电子的衍射光子积分强度，以及282.9eV处Si-C键中的C1s电子的衍射光子积分强度；

(4)将计算得到的衍射光子积分强度带入到衍射光子积分强度与石墨烯厚度的函数关系式中，利用不同衍射角下的数据进行线形拟合，求出样品的石墨烯厚度；

(5)将计算得到的石墨烯厚度与石墨烯的原子层间距作比，得到样品石墨烯的层数。

2.根据权利要求1所述的碳化硅基底上的石墨烯的层数测量方法，其特征是：X射线光电子能谱对样品进行测量时，X射线的入射角固定为45°，每次改变的光衍射角θ是衍射光线与法线的夹角。