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維度的納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）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構的新材料，是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光；導熱系數(shù)高達 5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，比鉆石還堅硬，強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。因為它的電阻率極低，電子的移動速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導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、電學、力學特性，它在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

CIC nanoGUNE是一個成立于2009年的西班牙研究中心，其使命是解決納米科學和納米技術的基礎和應用研究，促進該領域高級研究人員的教育和培訓，其中石墨烯是他們研究的重點材料之一。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測量出材料的各類參數(shù)從而對材料性質與質量做出判斷。通常針對于大面積材料，可以利用四探針法得到被測樣品的電導率，操作簡單且檢測快速，但必須接觸樣品，由此可能會使樣品產生損傷。而對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nm級別的圖像，然而這需要樣品制備步驟與較長的掃描時間。

因此，對于nanoGUNE的材料研究而言，他們需要的是一個快速的系統(tǒng)來檢測不同性質的材料，而不會破壞它們并且具有高精度。另一方面，Graphenea希望檢測材料，以進行石墨烯制造過程的質量控制和新先進材料的開發(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、電阻或載流子遷移率）。

太赫茲技術提供了這樣一個方案。ONYX系統(tǒng)基于太赫茲頻譜技術，發(fā)射的太赫茲波與材料相互作用后的時域信號被收集，隨后通過傅里葉變換轉化為頻譜信號后，將此信號與參考信號的頻譜數(shù)據(jù)進行分析即可得到被測樣品的光學參數(shù)，包括電導率、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)僅需一次測量便可全部得到，無需樣品制備與過長掃描時間，實現(xiàn)了簡易高速的測量。

結果：快速可靠的工具，助力材料研究

太赫茲技術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方法，可繪制塊狀材料、薄膜和 2D材料（如石墨烯）的電學特性圖。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域光譜（THz-TDS）進行多次分析，而無需對其進行修改調整。可獲得整個樣品區(qū)域而不是單個點的電特性圖，可以識別缺陷，均勻度等。

在高影響因子同行評審的期刊上發(fā)表的幾篇科學文章已經用到了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率”】（Cultrera等人，科學報告，2019，9：10655）中，使用接觸方法（電阻層析成像（ERC）和van der Pauw測量）和非接觸式THz-TDS Onyx測量獲得了大面積石墨烯樣品的電阻測量結果。

上圖比較了使用 ERC和 Onyx（TDS）獲得的10×10 mm2區(qū)域的化學氣相沉積（CVD）石墨烯電導率圖。Onyx圖像包含100×100個像素，每個像素對應于一個測量值，并允許以非破壞性和非接觸方式沿石墨烯樣品表面識別異質性，確保測量后樣品的完整性。

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現(xiàn)CVD石墨烯接觸式和非接觸式電氣測量的標準化”】（Melios等人，科學報告，2020，10：3223），展示了一種從納米到宏觀尺度測量石墨烯電學性質的綜合方法。

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

此外，在GRACE EMPIR/EURAMET項目中還發(fā)布了兩份關于石墨烯電學表征的良好實踐指南：

“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石墨烯進行電表征的良好實踐指南”】（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”【“使用接觸方法對石墨烯進行電表征的良好實踐指南”】（2020年，由A. Fabricius等人編輯，ISBN：978-88-945324-0-1）。

這兩個指南旨在滿足在高度受控的環(huán)境條件下進行標準化電氣測量的需求。

審核編輯黃宇