厘米级石墨烯快速表征！实现从科研级到工业级的大面积石墨烯及二维材料的高分辨无损测量
发布日期：2022-12-08
挑战：以高分辨率、非接触式、非破坏性和快速的方式表征大面积块状、薄膜和二维材料（如石墨烯）的电学性能（如电导、电阻或载流子迁移率）迫在眉睫。
CIC nanoGUNE是一个成立于2009年的西班牙研究中心，其使命是解决纳米科学和纳米技术的基础和应用问题，以促进该领域高级研究人员的教育和培训，其中石墨烯是他们研究的重点材料之一。值得指出，Graphenea（https://www.graphenea.com）是nanoGUNE的一家初创公司，致力于工业石墨烯的制造。
在使用石墨烯等材料之前，通常需要先通过各类表征技术测量出材料的各类参数从而对材料性质与质量做出判断。针对大面积材料，可以利用四探针法得到被测样品的电导率，操作简单且检测快速，但必须接触样品，由此可能会使样品产生损伤。而对于纳米尺寸的材料而言，常用的拉曼光谱、AFM和TEM方法可以通过非接触的方式得到分辨率高达纳米级别的图像，然而这需要繁杂的样品制备步骤与较长的扫描时间。
因此，对于nanoGUNE的材料研究而言，他们需要的是一个高分辨快速的系统来检测不同性质的材料。另一方面，Graphenea希望能能够在石墨烯制造过程中对其质量进行非接触快速检测。两者都在寻找一种解决方案：以高分辨率、非接触式、非破坏性和快速的方式表征块状、薄膜和二维材料（如石墨烯）的电性能（如电导、电阻或载流子迁移率）。
Das-nano的解决方案：太赫兹ONYX系统
Das-nano经多年研发的石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统-ONYX系统，与传统四探针测量法相比，其可以无损测量样品质量空间分布；与拉曼，AFM，SEM相比，其能够快速表征超大面积样品，是 nanoGUNE 和Graphenea 的先进解决方案。ONYX基于太赫兹频谱技术，旨在利用太赫兹波实现石墨烯、薄膜和其他二维材料的全区域无损表征的系统，填补了宏观和纳米尺度表征工具之间的空白，探测面积可从0.5 mm2到更大面积(m2)，能够以高达50 μm的空间分辨率快速表征 (12 cm2/min)大面积样品，促进了材料研究领域的工业化。
ONYX系统发射的太赫兹波与材料相互作用后，可收集到时域信号，随后通过傅里叶变换转化为频谱信号，将此信号与参考信号的频谱数据进行分析即可得到被测样品的光学参数，包括：
1） 电导率电阻率
2） 电荷载流子迁移率
3） 电荷载流子密度
4） 折射率及基底厚度。
仅需一次测量便可得到上述所有参数，无需复杂的样品制备过程与过长的扫描时间，实现了简易高速的测量。
另外，ONYX测试系统符合 IEC TS 62607-6-10：2021 技术规范，该规范涉及使用太赫兹时域光谱法测量石墨烯基材料的片状电阻的测量指导。
视频：石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统-ONYX系统
应用案例：
ONYX系统已助力Graphenea在高影响因子同行评审的期刊上发表了多篇科学文章，以下为合作文章概述。
1）在文章“Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography” 【“用电阻断层扫描绘制石墨烯的电导率”】（Cultrera等人，Scientific Reports，2019，9：10655）中，使用接触方法（电阻层析成像（ERC）和van der Pauw测量）和非接触式THz-TDS ONYX测量获得了大面积石墨烯样品的电阻测量结果。
上图比较了使用 ERC 和ONYX（TDS）分别获得了10×10 mm2区域的化学气相沉积（CVD）石墨烯电导率图。ONYX图像包含100×100个像素，每个像素对应于一个测量值，并允许以非破坏性和非接触方式沿石墨烯样品表面识别异质性，确保测量后样品的完整性。
2）在文章“Towards standardisation of contact and contactless electrical measurements of CVD graphene at the macro-, micro- and nano-scale”（Melios等人，Scientific Reports，2020，10：3223）中，展示了一种从纳米到宏观尺度测量石墨烯电学性质的综合方法。
电学表征是通过使用多种技术的组合实现的，包括范德堡几何中的磁传输，使用ONYX系统的太赫兹时域光谱绘制（上面显示了两个电阻率图）和校准的开尔文探针力显微镜。结果显示出不同技术之间良好的一致性。
3）此外，在GRACE EMPIR/EURAMET项目中还发布了两份关于石墨烯电学表征的实践指南。这两个指南旨在满足在高度受控的环境条件下进行标准化电气测量的需求。
