专利名称：一种基于光学显微镜的石墨烯质量检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光学显微镜的石墨烯质量检测方法。
背景技术：
石墨烯是一种具有二维平面结构的碳纳米材料，具有很多优良的性质，如好的透光性、好的导电性、高的机械强度、高的电子迁移率以及热导率(Science 2009，324，1530 ;Rev.Mod.Phys.2009，81，109.)。其在高频电子器件、光电子器件、柔性电子器件等领域有着广阔的应用前景(Nat. Nanotechnol. 2010，5，487 ；Nat. Photon. 2010,4,611.)。目前检测石墨烯质量的方法主要基于扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、低能电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱仪、光学显微镜等(Nat. Mater. 2011,10,443 ；NanoLett. 2010，10，4128 ；ACS Nano, 2011，5，4014 ；Nano Lett. 2010，10，4890 ;Science，2004，306,666 ；Phys. Rev. Lett. 2006,97,187401 ；Appl. Phys. Lett. 2007，91，063124.)，现有的这些检测设备较昂贵，操作过程较繁琐，因此建立一种廉价快捷的质量检测方法是目前迫切需要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速简便地检测石墨烯生长质量的方法。本发明所提供的检测石墨烯生长质量的方法，是针对在铜基底上生长的石墨烯进行检测，具体包括下述步骤I)对生长有石墨烯的Cu基底进行处理，使其表面未被石墨烯覆盖的区域发生颜色变化；2)调整光学显微镜的放大倍数或者选用适当倍数的光学放大镜，直接在步骤I)处理后的Cu基底上观察石墨�。�3)根据步骤2)的观察结果确定石墨烯的生长质量，如成核密度、连续性等。上述各步骤均在常温常压下进行。上述步骤I)中，选择处理方法的原则是只使未被石墨烯覆盖的区域发生颜色变化，而对石墨烯本身无影响。具体可通过下述方法实现I)将生长有石墨烯的Cu基底在空气中退火；其中，退火的温度可为100 300°C，时间为2-30min，优选退火条件为160°C退火6min。2)将生长有石墨烯的Cu基底通过红外灯照射烘烤；所采用的红外灯的功率可为5-100W，照射时间可为l_30min，优选条件为在30W红外灯下烘烤15min。3)将生长有石墨烯的Cu基底浸泡于可使铜发生变色反应且与石墨烯不发生反应的溶液中；例如，将生长有石墨烯的Cu基底浸入质量分数15%的过氧化氢水溶液中30s。类似的溶液还有S的乙醇溶液、硫脲的盐酸溶液、过硫酸铵的氢氧化钠溶液等。在上述检测方法中，步骤I)是关键步骤，以空气中退火处理为例，具体的实验现象是退火前，用光学显微镜几乎无法观察到石墨烯；退火后，被石墨烯覆盖的区域保持原有的颜色，而没有被石墨烯覆盖的区域被热氧化发生颜色变化，通过颜色的对比在光学显微镜下观察到石墨烯。在相同实验条件下进行重复性实验，结果与上述实验现象相一致。上述步骤I)中发生的颜色的变化来源于基底暴露在空气中的区域在退火作用下组成和结构的改变。为排除潜在的假相，本发明在相同的处理条件下进行了对照实验。对照实验中，发明人对于未生长石墨烯的Cu基底进行退火，基底颜色发生显著变化，无未变色的区域；而生长完好的石墨烯，由于石墨烯的保护作用，退火前后样品没有发生颜色变化。此外，扫描电子显微镜照片、在Si02/Si基底上的光学显微镜照片、退火后的光学显微镜照片均显示出相同的图案，表明被石墨烯覆盖区域的轮廓与石墨烯本身的轮廓是相同的。此外根据文献报道，石墨烯热稳定性较好，在空气中可以承受400°C的加热而不被氧化。(ACSNano,2011,5,1321.) 上述步骤I)中的颜色变化也可以通过红外灯照射烘烤来实现。例如，将生长有石墨烯的Cu基底在适当功率的红外灯下照射60s可以得到同样的效果。 上述步骤2)中如果不能用光学显微镜看清石墨烯，可以将变色处理后的生长有石墨烯的Cu基底固定到表面平整的支持物上，如载玻片、塑料板等，使生长基底变得更平。固定的方法可将生长基底的反面(即Cu基底上生长石墨烯面的对立面)用双面胶粘到表面平整的支持物上。本发明利用光学显微镜或放大镜通过颜色的对比让石墨烯从生长基底上显影出来实现对石墨烯的检测。本发明对科研和实际生产中石墨烯的检测和石墨烯生长工艺快速摸索有较大的意义。本发明所提供的光学显微镜表征方法具有以下优点I、本发明是通过用加热器或红外灯在空气中加热烘烤或溶液中浸泡使石墨烯直接从生长基底光学显影出来，从而实现对石墨烯的光学表征，不需要转移到其他基底上，是一种较为简便的检测方法。2、本发明使用的光学显微镜和光学放大镜属于常见设备，所用的设备廉价易得，与现有的方法相比，具有较低的检测成本。3、本发明可以从大的视野范围对石墨烯的生长情况进行快速检测，完成操作步骤只需几分钟，通过颜色的特征显示石墨烯的轮廓，既高效又直观。低压化学气相沉积法(PCVD)有望实现工业化生产大面积、高质量的石墨烯，而现在已经实现了在Cu箔基底表面制备面积达到30英寸的超大面积、高质量单层石墨烯(Nat.Nanotechnol. 2010，5，574)。本发明建立了直接在生长基底上通过光学显微镜或放大镜检测石墨烯质量的方法。该法只需要简单的热烘烤工艺，不需要任何昂贵的仪器设备，操作过程快速、简便，检测成本低廉，可以应用于在线检测石墨烯的生长质量和石墨烯生长工艺的快速摸索。
图I为基于光学显微镜对Cu基底上石墨烯质量检测的示意图。图2为实施例I中样品退火前后在光学显微镜下观察的结果。图3为实施例I中光学显影成像(图3a)与SEM(图3b)及转移到Si02/Si基底上(图3c)对照结果。图4为实施例2中样品退火后在光学显微镜下观察不同位置的结果。图5为实施例中样品在溶液中浸泡后在光学显微镜下观察的结果。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例I :基于光学显微镜通过在空气中烘烤检测Cu基底上生长的石墨烯基于光学显微镜对Cu基底上石墨烯质量检测的示意图，如图I所示。退火前，在光学显微镜下观察样品，结果如图2a所示；将样品在空气中退火，退火温度为160°C,时间为6min,再在光学显微镜下观察样品，结果如图2b所不；将样品在30W 红外灯下烘烤，时间为15min，再在光学显微镜下观察样品，结果如图2c所示。观察到的颜色变化来源于Cu基底暴露在空气中的区域在退火作用下形成Cu的化合物(其中，主要是氧化物即氧化铜氧化亚铜，由于放到空气有水气还有部分氢氧化铜)，而被石墨烯覆盖的区域未发生反应，保持原有的黄色，因此通过颜色的对比直接观察到生长基底上的石墨烯。将现在的光学显影技术同SEM及将石墨烯转移到Si02/Si基底上(J. Phys. Chem.C2008，112，17741)再在光学显微镜下观察检测方法相比较，结果如图3所示。本发明的光学显影方法和其他的表征方法能得到同样的效果，但本发明的方法更简便、快捷、廉价。实施例2 :基于光学显微镜通过在空气中烘烤检测Cu基底上不同位置的石墨烯将样品在空气中退火，温度为160°C,时间为6min,在光学显微镜下观察基底的不同位置，结果如图4所示。观察到石墨烯的区域面积沿着气流方向越来越�。馐怯捎谔荚丛诖使讨幸蛐纬墒┒徊糠窒模贾孪掠翁荚磁ǘ戎鸾ゼ跣�。故使用本发明可以方便的从大视野对石墨烯的生长质量进行大范围快速检测。实施例3 :基于光学显微镜通过在溶液中浸泡检测Cu基底上生长的石墨烯将样品浸入的S的乙醇溶液或质量分数15%的过氧化氢水溶液中，30s后取出，在光学显微镜下观察样品，结果如图5所示。S的乙醇溶液使Cu基底变为黑色(图5a)，15%过氧化氢水溶液使Cu基底变为黄褐色(图5b)，后者的效果相对比较好。可以实现快速的液相显影检测。综上所述，本发明是一种成本较低、快速简便的检测石墨烯的方法，通过在空气中烘烤或溶液中浸泡，可以直接在生长基底上利用光学显微镜或光学放大镜对样品进行质量检测，具有广阔的实际应用价值。
权利要求
1.一种检测石墨烯生长质量的方法，包括下述步骤 1)对生长有石墨烯的Cu基底进行处理，使其表面未被石墨烯覆盖的区域发生颜色变化； 2)采用光学显微镜或者光学放大镜直接在步骤I)处理后的Cu基底上观察石墨烯； 3)根据步骤2)的观察结果确定石墨烯的生长质量。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤I)中所述处理的方法是将生长有石墨稀的Cu基底在空气中退火。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述退火的温度为100 300°C，时间为2_30min。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤I)中所述处理的方法是将生长有石墨烯的Cu基底通过红外灯照射烘烤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述红外灯照射的功率为5-100W，照射时间 >为 l-30min。
6.根据权利要求I所述的方法，其特征在于步骤I)中所述处理的方法是将生长有石墨烯的Cu基底浸泡于可使铜发生变色反应且与石墨烯不发生反应的溶液中。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述溶液选自下述任意一种质量分数15%的过氧化氢水溶液、S的乙醇溶液、硫脲的盐酸溶液和过硫酸铵的氢氧化钠溶液。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于所述方法还包括在步骤2)前，将步骤I)处理后的生长有石墨烯的Cu基底固定到表面平整的支持物上的步骤。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于所述步骤I)-3)均在常温常压下进行。
全文摘要
本发明公开了一种检测石墨烯生长质量的方法。所述检测方法包括下述步骤1)对生长有石墨烯的Cu基底进行处理，使其表面未被石墨烯覆盖的区域发生颜色变化；2)调整光学显微镜的放大倍数或选用适当倍数的光学放大镜，直接在步骤1)处理后的Cu基底上观察石墨烯；3)根据步骤2)的实验结果确定石墨烯的生长情况，检测石墨烯生长质量，并为快速摸清石墨烯的生长工艺提供指导。本发明可利用光学显微镜或放大镜直接在生长基底上对石墨烯进行检测。该方法较为廉价、简便、快速，并可以从大的视野范围了解石墨烯的整体生长情况，对科研和实际生产中石墨烯的质量检测和生长工艺摸索有较大的意义。
文档编号G01N21/25GK102749291SQ20121024187
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者江蛟龙, 贾传成, 郭雪峰 申请人:北京大学
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