挑戰(zhàn)：高分辨率、快速無損表征石墨烯

二維材料，是指電子僅可在兩個(gè)維度的納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。二維材料是伴隨著2004年曼徹斯特大學(xué)Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯（graphene）而提出的。

石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上 100倍，常溫下其電子遷移率超過 15000 cm2/V·s，又比納米碳管或矽晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約 10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因?yàn)樗碾娮杪蕵O低，電子的移動(dòng)速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或電晶體。

正由于石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，它在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。

CIC nanoGUNE是一個(gè)成立于2009年的西班牙研究中心，其使命是解決納米科學(xué)和納米技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，促進(jìn)該領(lǐng)域高級(jí)研究人員的教育和培訓(xùn)，其中石墨烯是他們研究的重點(diǎn)材料之一。除此以外，Graphenea是nanoGUNE的第一家初創(chuàng)公司，致力于工業(yè)石墨烯的制造。

通常，在利用石墨烯等材料之前，最重要是通過各類表征技術(shù)測(cè)量出材料的各類參數(shù)從而對(duì)材料性質(zhì)與質(zhì)量做出判斷。通常針對(duì)于大面積材料，可以利用四探針法得到被測(cè)樣品的電導(dǎo)率，操作簡(jiǎn)單且檢測(cè)快速，但必須接觸樣品，由此可能會(huì)使樣品產(chǎn)生損傷。而對(duì)于納米尺寸的材料而言，常用的拉曼光譜、AFM和TEM方法可以通過非接觸的方式得到分辨率高達(dá)nm級(jí)別的圖像，然而這需要樣品制備步驟與較長(zhǎng)的掃描時(shí)間。

因此，對(duì)于nanoGUNE的材料研究而言，他們需要的是一個(gè)快速的系統(tǒng)來檢測(cè)不同性質(zhì)的材料，而不會(huì)破壞它們并且具有高精度。另一方面，Graphenea希望檢測(cè)材料，以進(jìn)行石墨烯制造過程的質(zhì)量控制和新先進(jìn)材料的開發(fā)。兩者都在尋找一種解決方案，以高分辨率、非接觸式、非破壞性和快速的方式表征塊狀、薄膜和2D材料（如石墨烯）的電性能（如電導(dǎo)、電阻或載流子遷移率）。

太赫茲技術(shù)提供了這樣一個(gè)方案。ONYX系統(tǒng)基于太赫茲頻譜技術(shù)，發(fā)射的太赫茲波與材料相互作用后的時(shí)域信號(hào)被收集，隨后通過傅里葉變換轉(zhuǎn)化為頻譜信號(hào)后，將此信號(hào)與參考信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析即可得到被測(cè)樣品的光學(xué)參數(shù)，包括電導(dǎo)率、電阻率、電荷載流子遷移率、電荷載流子密度、折射率與基板厚度。這些參數(shù)僅需一次測(cè)量便可全部得到，無需樣品制備與過長(zhǎng)掃描時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易高速的測(cè)量。

結(jié)果：快速可靠的工具，助力材料研究

太赫茲技術(shù)為石墨烯研究提供了一種非破壞性、非接觸式、快速和高分辨率的檢測(cè)方法，可繪制塊狀材料、薄膜和 2D材料（如石墨烯）的電學(xué)特性圖。作為一種不需要樣品制備的非接觸式、非破壞性方法，同一研究樣品可以用太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）進(jìn)行多次分析，而無需對(duì)其進(jìn)行修改調(diào)整。可獲得整個(gè)樣品區(qū)域而不是單個(gè)點(diǎn)的電特性圖，可以識(shí)別缺陷，均勻度等。

在高影響因子同行評(píng)審的期刊上發(fā)表的幾篇科學(xué)文章已經(jīng)用到了Onyx系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)。以下示例是與Graphenea合作發(fā)布的。

在文章“Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography”【“用電阻斷層掃描繪制石墨烯的電導(dǎo)率”】（Cultrera等人，科學(xué)報(bào)告，2019，9：10655）中，使用接觸方法（電阻層析成像（ERC）和van der Pauw測(cè)量）和非接觸式THz-TDS Onyx測(cè)量獲得了大面積石墨烯樣品的電阻測(cè)量結(jié)果。

上圖比較了使用 ERC和 Onyx（TDS）獲得的10×10 mm2區(qū)域的化學(xué)氣相沉積（CVD）石墨烯電導(dǎo)率圖。Onyx圖像包含100×100個(gè)像素，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)于一個(gè)測(cè)量值，并允許以非破壞性和非接觸方式沿石墨烯樣品表面識(shí)別異質(zhì)性，確保測(cè)量后樣品的完整性。

在文章“Towards standardisation of contact and contactless electrical measurements of CVD graphene at the macro-, micro- and nano-scale”【“在宏觀，微觀和納米尺度上實(shí)現(xiàn)CVD石墨烯接觸式和非接觸式電氣測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化”】（Melios等人，科學(xué)報(bào)告，2020，10：3223），展示了一種從納米到宏觀尺度測(cè)量石墨烯電學(xué)性質(zhì)的綜合方法。

電學(xué)表征是通過使用多種技術(shù)的組合實(shí)現(xiàn)的，包括范德堡幾何中的磁傳輸，使用 Onyx系統(tǒng)的太赫茲時(shí)域光譜繪制（上面顯示了兩個(gè)電阻率圖）和校準(zhǔn)的開爾文探針力顯微鏡。結(jié)果顯示出不同技術(shù)之間良好的一致性。

此外，在GRACE EMPIR/EURAMET項(xiàng)目中還發(fā)布了兩份關(guān)于石墨烯電學(xué)表征的良好實(shí)踐指南：

“Good Practice Guide on the electrical characterization of graphene using non-contact and high-throughput methods”【“使用非接觸式和高通量方法對(duì)石墨烯進(jìn)行電表征的良好實(shí)踐指南”】（2020年，由A. Fabricius，A.等人編輯，ISBN：978-88-945324-2-5）。

“Good Practice Guide on the electrical characterisation of graphene using contact methods”【“使用接觸方法對(duì)石墨烯進(jìn)行電表征的良好實(shí)踐指南”】（2020年，由A. Fabricius等人編輯，ISBN：978-88-945324-0-1）。

這兩個(gè)指南旨在滿足在高度受控的環(huán)境條件下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化電氣測(cè)量的需求。

審核編輯黃宇