扫描探针显微镜在石墨烯研究中的应用

石墨烯的场效应晶体管制造实验流程一、概述石墨烯是一种由碳原子以二维晶格形式排列而成的材料，具有优异的导电性、热导率和机械强度，因此在电子器件领域具有广泛的应用前景。

场效应晶体管是一种基于半导体材料的电子器件，利用外加电场调节电子输运性质。

本文将介绍石墨烯的场效应晶体管制造实验流程，以便于读者了解并进行相关实验研究。

二、实验材料与仪器1. 实验材料：- 氧化硅衬底片- 纯度高达99.9的石墨片- 氢氧化钠、硫酸、次氯酸钠、硝酸等化学试剂- 甲苯、异丙醇、丙酮等有机溶剂2. 实验仪器：- 进口超高真空物理气相沉积系统- 扫描探针显微镜- 离子束蚀刻系统- 激光切割系统- 原子力显微镜三、实验流程1. 制备石墨烯（1）在进口超高真空物理气相沉积系统中，将石墨片放置在高温石墨坩埚中，利用热蒸发法制备石墨烯薄膜。

（2）通过扫描探针显微镜观察薄膜形貌，并选取质量较好的样品。

2. 氢氧化钠清洗（1）将氧化硅衬底片放入氢氧化钠溶液中，进行超声清洗，去除表面杂质和氧化层。

（2）在硫酸和次氯酸钠混合溶液中进行进一步清洗，去除残留的有机物和金属离子。

3. 氧等离子蚀刻刻蚀（1）将制备好的石墨烯薄膜贴附在氢氧化钠清洗过的氧化硅衬底片上。

（2）将样品置于离子束蚀刻系统中，利用氧等离子蚀刻技术去除石墨烯薄膜表面残余的杂质和氧化物。

4. 激光切割（1）使用激光切割系统对石墨烯薄膜进行精确切割，制备出场效应晶体管的通道。

（2）通过原子力显微镜对切割后的样品进行表面形貌和电学性质的表征。

5. 其他后续实验（1）制备金属源和栅极电极，通过电子束蒸发等方法在石墨烯薄膜上制备金属电极。

（2）通过层状结构沉积技术，在石墨烯薄膜表面沉积介电层和栅极。

四、实验结果与分析通过以上实验流程，制备得到了石墨烯的场效应晶体管样品。

利用扫描探针显微镜、原子力显微镜等各种表征手段对样品的表面形貌和电学性质进行了详细分析。

实验结果表明，制备得到的石墨烯场效应晶体管具有优异的导电性和稳定的场效应特性，满足相关应用要求。

石墨烯的表征方法一、光学显微镜表征。

光学显微镜可是咱研究石墨烯的一个基础工具呢。

想象一下，就像给石墨烯来了个“高清拍照”。

咱把石墨烯样品放在显微镜下，通过可见光照射，然后就能看到它的一些基本形态啦。

比如说，能看看它的大小、形状，还有表面有没有什么明显的缺陷啥的。

不过呢，这光学显微镜也有它的小局限，对于特别小的石墨烯结构或者原子级别的细节，它就有点“看不太清”啦，毕竟它的分辨率有限嘛。

二、扫描电子显微镜表征。

扫描电子显微镜那就牛多啦！它就像是给石墨烯来了个“超级特写”。

它用电子束去扫描石墨烯样品，然后根据电子和样品相互作用产生的各种信号，来构建出石墨烯的微观图像。

通过它，咱能清楚地看到石墨烯的边缘结构，还有它表面的一些微观形貌，像有没有褶皱啊、裂纹啊这些。

而且它的分辨率比光学显微镜高多啦，能让咱看到纳米级别的细节呢。

但它也有个小麻烦，就是样品制备的时候得特别小心，不然可能会对石墨烯的结构造成破坏哦。

三、透射电子显微镜表征。

透射电子显微镜更是个厉害家伙！它让电子束穿过石墨烯样品，然后根据电子的透射和散射情况来成像。

这就好比给石墨烯来了个“透视”，能让咱直接看到它的原子结构呢！咱可以清楚地分辨出石墨烯的晶格结构，看看碳原子是怎么排列的，有没有什么晶格缺陷。

不过呢，这个方法对样品的要求就更高啦，样品得特别薄，制备起来有点难度，而且电子束照射时间长了，也可能会对石墨烯造成损伤哦。

四、拉曼光谱表征。

拉曼光谱就像是石墨烯的“指纹识别器”。

当激光照射到石墨烯上时，石墨烯会散射一部分光，这些散射光的频率会发生变化，通过分析这些频率变化，咱就能得到石墨烯的一些重要信息啦。

比如说，能判断石墨烯的层数，不同层数的石墨烯拉曼光谱会有一些特征性的变化哦。

还能检测石墨烯里面有没有杂质，以及它的应力状态啥的。

而且这个方法是非接触式的，对样品基本没啥损伤，挺方便的呢。

五、X射线光电子能谱表征。

X射线光电子能谱就像是个“化学侦探”。

石墨烯量子点在荧光探针检测中的应用研究石墨烯量子点 (Graphene quantum dots, GQDs) 是一种新型的碳基材料，其具有高比表面积、优异的光学和电学性能。

近年来，石墨烯量子点在生物荧光探针检测中的应用研究备受瞩目。

本文将探讨石墨烯量子点在荧光探针检测中的应用研究。

一、石墨烯量子点的制备与特性石墨烯量子点是由石墨烯层剥离形成的直径小于 10 nm 的量子粒子。

石墨烯量子点的特殊结构和纳米级尺寸使其具有一系列优异的性能，如宽波长荧光、较高的荧光量子产率、稳定的荧光性能和良好的生物相容性。

石墨烯量子点的制备方法包括化学还原法、碳热还原法和激光还原法等。

其中，化学还原法是最常见的一种制备方法，其基于化学氧化石墨烯并通过还原剂还原回石墨烯量子点的过程。

通过对制备条件的调控，可以获得大小、形状和表面性质不同的石墨烯量子点。

二、石墨烯量子点在荧光探针检测中的应用石墨烯量子点在荧光探针检测中的应用主要表现在以下几个方面。

1. 蛋白质检测石墨烯量子点能够与蛋白质发生特异性相互作用，具有极高的灵敏度和准确性。

石墨烯量子点可以结合蛋白质表面上的氨基酸残基，形成稳定的复合物，从而实现对蛋白质的检测。

石墨烯量子点还可以作为标记物，结合适当的抗体实现蛋白质的定量检测。

2. 生物成像石墨烯量子点具有良好的生物相容性和低毒性，能够被生物体内的细胞或组织吸收，从而在生物成像方面得到广泛应用。

石墨烯量子点可以用于癌细胞、病毒以及细菌等生物组织成像，具有高分辨率和高灵敏度。

3. 生化分析石墨烯量子点具有较高的表面积，可以用作检测生物分子的传感器。

石墨烯量子点可以通过表面修饰实现对各种生物分子的检测，如 DNA、RNA、小分子和离子等。

此外，石墨烯量子点还可以用于微生物感染分析和药物筛选等生化领域。

三、石墨烯量子点在荧光探针检测中的优势和未来发展和传统荧光探针相比，石墨烯量子点具有以下几个优势：1. 荧光强度高：石墨烯量子点的荧光量子产率可达 35%，相较于金属离子和有机荧光染料具有更高的荧光强度。

扫描电子显微镜法测定金属衬底上石墨烯薄膜的覆盖度陈彩云;刘进行;张小敏;李金龙;任玲玲;董国材【摘要】利用化学气相沉积法生长在金属衬底上的石墨烯薄膜,由于其尺寸的可控性和转移的便利性,被广泛用作各种透明电极.石墨烯薄膜的方块电阻是衡量其品质的重要指标之一,而石墨烯覆盖完全是保证薄膜拥有优良导电性能的基本前提.本文通过研究评估不确定度的分量,提出利用扫描电子显微镜像素计算微区和宏观覆盖度的方法.考虑到石墨烯薄膜覆盖区域与未覆盖区域边界的确定,以及晶畴数目的选取这两个因素对覆盖度测定造成的误差.通过微区有效扫描电子显微镜图像的确定、宏观石墨烯薄膜有效扫描电子显微镜图像的测量数目以及宏观石墨烯薄膜覆盖均匀性的表达,系统研究了化学气相沉积法生长在金属衬底上的石墨烯薄膜的微区覆盖度、宏观覆盖度和覆盖均匀性.该方法通过获得有限次微区扫描电子显微镜图像,不仅可以计算宏观石墨烯薄膜的覆盖度,还可以给出覆盖均匀性,既节省了测量时间,同时也能保证测量有效性.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)007【总页数】8页(P219-226)【关键词】石墨烯;覆盖度;均匀度;扫描电子显微镜【作者】陈彩云;刘进行;张小敏;李金龙;任玲玲;董国材【作者单位】江南石墨烯研究院,常州 213149;江南石墨烯研究院,常州 213149;江南石墨烯研究院,常州 213149;江南石墨烯研究院,常州 213149;中国计量科学研究院,北京 100013;江南石墨烯研究院,常州 213149;常州国成新材料科技有限公司,常州 213149【正文语种】中文1 引言石墨烯特异的物理性质使得石墨烯在电子、光电子、生物感应等诸多领域具有广阔的应用前景[1,2].与机械剥离法[3,4]、氧化还原法[5]或SiC外延生长法[6,7]得到的石墨烯相比,生长在金属衬底上的石墨烯[8−12]具有显著的优势,只要提供大尺寸的金属衬底,即可得到相应尺寸的石墨烯薄膜,并且已有方法可以方便地将石墨烯薄膜转移到其他衬底上.利用化学气相沉积法在铜或镍上生长的石墨烯薄膜[13,14],转移便利的优势更加明显.转移之后的石墨烯薄膜,由于其高透光性及高导电性,被制作成透明电极[15−19],广泛应用于各式各样的柔性光电器件,包括触摸屏传感器、有机发光二极管和有机光伏器件.其中石墨烯薄膜自身质量高低是器件性能优劣的指标之一.目前常用透光率和方块电阻两个参数衡量石墨烯透明电极的品质,这两个参数是可以对从金属基底转移到透明基底上的石墨烯薄膜的缺陷[20,21]进行宏观表征,包括转移过程中腐蚀液等外界因素对石墨烯产生的掺杂以及转移过程中造成的破损[22]等.但是由于金属衬底的导电性和不透光性,对于在金属衬底上生长的石墨烯薄膜而言,不能直接通过测量透光率和方块电阻来表征石墨烯薄膜的品质,需要探究其他的指标来表征石墨烯薄膜的品质.研究发现,可以根据石墨烯薄膜在金属衬底上的覆盖度对石墨烯薄膜的生长条件进行优化,提高石墨烯薄膜在金属衬底上的覆盖度可以大大提高转移后石墨烯薄膜的导电性和其他性能.本文提出了金属衬底上石墨烯薄膜覆盖度的表征参数,并通过扫描电子显微镜(scanning electronmicroscope,SEM)对石墨烯薄膜覆盖度的测量方法进行了研究.由于石墨烯的耐高温、抗氧化特性,生长了石墨烯薄膜的金属衬底样品在大气中加热时,未被石墨烯薄膜覆盖的衬底将形成氧化物,而被石墨烯薄膜覆盖的金属衬底由于受到石墨烯的保护并不会氧化变色,从而可以提高石墨烯薄膜覆盖区域和未覆盖区域的对比度,利用此特性可以初步判断石墨烯薄膜的覆盖度.图1为5 cm×5 cm 铜基石墨烯样品氧化前后的照片,氧化温度为180◦C,氧化时间为5 min[23−26].当相邻石墨烯薄膜未覆盖面积或缺陷的尺寸达到毫米级时,仅凭肉眼就可以明显区分石墨烯薄膜的覆盖区域和未覆盖区域[23],此时在光学显微镜下就可以计算其覆盖度.当缺陷的尺寸在微米到纳米范围时,必须选择更高分辨率的测量工具.SEM是一种有效的测量技术,但是SEM存在的问题是微区的测量.对宏观的石墨烯薄膜样品来说,理想的覆盖度结果应该以整张样品中覆盖有石墨烯薄膜的样品面积与样品总面积的比值来表示,如果反映5 cm×5 cm样品的微观形貌,需要约8000张同一倍数下的SEM图像,测量效率太低,需要建立高效的测量方法.图1 氧化处理前后铜基石墨烯的照片 (a)氧化处理前的照片;(b)氧化处理后的照片Fig.1.Pictures of graphene f i lm on copper foil before and after oxidation treatment:(a)Picture before oxidation treatment;(b)picture after oxidation treatment.本文提供了一种利用SEM来定量表征金属衬底上石墨烯薄膜覆盖度的方法.在SEM下,由于石墨烯薄膜覆盖的区域和未覆盖区域的衬度不一样,因此,可以利用图像处理软件分别计算不同衬度的像素值,用石墨烯薄膜覆盖区域与未覆盖区域的图像的像素比值来表征金属衬底上石墨烯薄膜的覆盖度.通过研究样本中石墨烯晶畴选取数目证明了SEM表征方法有效可行,通过研究最小测量样本数和样本标准偏差,确定了通过有限的测量微区样本数得到整个薄膜样品的覆盖度和均匀性,并通过研究石墨烯薄膜覆盖区域与未覆盖区域的边界,给出了由于石墨烯薄膜覆盖区域边界对覆盖度统计引入的不确定度.通过以上分析证实,可以仅用有限数目的微区覆盖度来反映整张薄膜的覆盖度,使得该方法准确而且方便快捷.2 测试原理石墨烯薄膜的覆盖度为基底表面的石墨烯薄膜对于基底遮盖占据的基底面积与总基底面积之比.SEM下石墨烯薄膜成像面积为石墨烯成像像素与放大倍数的乘积,基底成像面积为整个基底像素与放大倍数的乘积,因此石墨烯薄膜覆盖度可用(1)式表示:其中,θ为石墨烯的覆盖度,C为被石墨烯覆盖面积的像素数,T为整张图片的像素数,k为放大倍数.从(1)式中可以看出,对于同一个SEM图像,覆盖石墨烯膜的面积和基底面积为像素乘以相同的放大倍数,放大倍数可以被约掉,因此采用SEM测试的覆盖度只与像素有关.3 SEM图像的获得与图像分析用扫描电子显微镜(型号为Nova NanoSEM 450)对金属衬底上的石墨烯薄膜进行高真空成像,在ETD(everhart-thornley detector)模式下拍摄照片,然后采用图像处理软件对石墨烯薄膜的SEM图像进行处理,通过设定合适的容差值,采用魔棒套索工具人为选出石墨烯薄膜覆盖区域和未覆盖区域,通过软件“记录测量”工具,得到石墨烯薄膜覆盖区域的像素C和图像总像素T.4 结果与讨论4.1 样品像素图2(a)为在ETD模式下拍摄的铜衬底石墨烯薄膜样品中某一区域的SEM图像,图2(b)为在图2(a)中的深色区域拍摄的拉曼图像,图中有石墨烯的特征峰G峰和2D 峰,由此判断深色区域为石墨烯覆盖区域,图2(c)为采用图像处理软件,经过调节容差值,用魔棒工具,逐渐地、全面地选择出的图2(a)中的深色区域即石墨烯薄膜覆盖区域.每一个石墨烯薄膜覆盖区域为白色虚线所包围,定义为一个岛.从图2(b)中可以看出,选取边界清晰且与每一个岛图像拟合程度较好.在选定覆盖区域后,软件界面下方的“记录测量”中会显示出以像素表示的覆盖区域的像素C为6917382,图像的总像素T为8888880,那么该图像中石墨烯薄膜的覆盖度θ为图2 用图像处理软件处理SEM图像 (a)铜衬底石墨烯的SEM图像;(b)图(a)中深色区域的拉曼图像;(c)将(a)中深色区域用图像处理软件的选择工具选出Fig.2.Treatment of one SEM image:(a)A pretreated SEM image of graphene f i lm;(b)the Raman image of dark area;(c)selection of dark area by selection tool of imaging software.4.2 微区有效SEM图像的确定因为SEM测量的是金属衬底石墨烯微区的图像,在没有放大倍数进行尺寸约定的情况下,通过测量有限数量SEM图像来统计宏观石墨烯薄膜样品的覆盖度,需要研究确定有效SEM图像,确定SEM图像的合理像素分布,即将石墨烯岛的数量N作为标尺进行约定.根据覆盖度计算的数学模型进行不确定度分析,分析研究引入不确定度的分项和影响结果.已知,其中,为单个岛的平均面积,N为岛的数量.将(2)式代入(1)式得对于在同一台设备下测试的同一个样品,T为常数.根据不确定度传递公式,由(3)式得:其中,σθ为石墨烯覆盖度的不确定度,σ¯S为单个岛在统计其面积时所带来的不确定度,σN为测量范围内由于测量岛数量的散粒涨落所带来的不确定度,σT为测量总面积时所带来的不确定度.因为总面积在测量时为图像整体的像素值,对同一次测量过程其值为常数,所以其不确定度为0,即σT=0.根据(1)式可以得到从(4)式中可以看出,岛面积和岛数量引起的不确定度越小,对覆盖度测量的准确性影响就越小.对于单独的一个岛而言,引起的不确定度为其周长乘以一个相对宽度,即其中,l为岛的周长,R为SEM的分辨率.由于l和石墨烯岛面积的算术平方根成正比,则其中,α为一个和岛形状相关的系数.采集区域内石墨烯岛数目的多少对石墨烯覆盖度的统计也会产生影响,假设石墨烯岛数目的多少是随机过程,则其涨落σN为其中,N为测量范围岛的数量.将(3),(5),(6),(7)式代入(4)式得到从(8)式可以看出,σθ为N的函数,并存在一个极小值,即在视野范围内取一定数目的石墨烯岛将会使所求的石墨烯覆盖度的不确定度最小.为了探究使得不确定度最小的有效SEM图像内岛的数量,对20%,80%,90%三个不同石墨烯薄膜覆盖度的样品进行理论计算模拟和实验测量.理论计算时R,T和α采用估计值.将岛简化成正方形,其周长为面积算术平方根的4倍,α按照4估算;R2/T 为整张图像对样品边缘的分辨,R为SEM设备对一个点的分辨率占其边长总长度的1/1000,则R2/T取1/1000000.虽然这些数字比较粗糙,不过我们尝试了其他数值后发现这些估算的数值对结论并不会造成很大影响.从图3可以看出,理论所预期的变化趋势和实验数据基本符合,比较图3中的理论值和实验数据看出,N的取值在15—30之间比较合适,从实验结果估算其不确定度大约为1%—4%.图3 不同覆盖度下σθ和N的关系 (a),(c),(e),分别是20%,80%,90%覆盖度下的理论模拟曲线;(b),(d),(f),分别是20%,80%,90%覆盖度下的实验统计值Fig.3.The relationship betweenσθandNunder different coverage:(a),(c)and(e)are theoretical simulation curve under 20%,80%and90%coverage;(b),(d)and(f)are experiment statistics under 20%,80%and 90%coverage.4.3 宏观石墨烯薄膜覆盖度所需有效SEM图像数目在统计学中,除非已知样本是均匀的,或者某些分析问题规定要代表样本,否则必须分析足够多的样本才能保证测定结果的可靠性.为了估计最小样本数,通过对样本的测量来获得取样方差,然后用(9)式求得为达到某一置信水平所必须的最小样本数n:(9)式中,t为在所要求的置信水平下的值,σ为测量样本的标准偏差,¯X为平均值,Q 为平均值可接受的相对百分偏差.对于95%的置信水平,最初的t可取1.96,以此推算出n值.在生长石墨烯薄膜的过程中,各衬底区域间有微小的温差或不尽相同的气体环境,导致不同衬底区域的石墨烯薄膜覆盖度有差别.所以对需要测定覆盖度的一张5cm×5 cm石墨烯薄膜(总体),采用九宫格等距抽样的方法,在相同放大倍数下分别测得这九个区域的石墨烯薄膜的覆盖度,得到该组数据的平均值¯X和总体标准偏差σ.利用(9)式得到为某一置信水平下必须的最小取样数n0.如果最小取样数n0小于9,那么这些样本覆盖度的平均值即可认为是石墨烯薄膜(总体)的覆盖度;如果最小取样数n0大于9,根据计算得到的最小取样数重新取样测量,即将样本等分成n0份,根据上述规则进行判断直到达到要求.对图1中5 cm×5 cm样品进行测量.按九宫格方法取样,每方块的面积为5/9cm×5/9 cm,从A1到A9为这些方块的编号;在每方块中间再截取2 mm×2 mm 的方块,作为SEM下的测试样品,从a1到a9为这些方块的编号.样品编号如图4. 对样品a1到a9进行高真空扫描成像,以对样品a1的覆盖度的测定为例.先在低放大倍数下全面观察a1的整个待测面,粗略估计未覆盖水平,最终选取适当的放大倍数对a1进行成像,放大倍数以能够较为清晰地辨别覆盖区与未覆盖区的边界为宜,并保证SEM图有足够的岛数量.在a1的不同区域多次成像,获得多张a1的SEM图,待用.采用同样放大倍率得到一系列a2到a9的SEM图,见图5.以下各取样品a1到a9的放大倍率相同的SEM图一张.图4 使用分层抽样和等距抽样的方法选择待测石墨烯样本Fig.4.Preparation of graphene samples by concepts of group sampling and interval sampling. 在用魔棒工具选定未覆盖区域时设定容差值10得到像素数据.根据(1)式分别得到样品a1到a9的覆盖度为76.2%,84.5%,82.2%,79.3%,84.9%,79.4%,81.7%,81.9%,79.1%.由此得到样品a1到a9的覆盖度的样本标准偏差σ为2.6%,覆盖度的平均值¯X81%.根据(9)式,在置信水平为95%(t=1.96),假设对样品均匀性可接受的相对标准偏差Q为6%时,所必需的样本数为说明整张石墨烯薄膜覆盖得非常均匀,理论上只需测量薄膜的某一区域的两张SEM 图,所得的覆盖度就可反映整张薄膜的覆盖度.证明九宫格取样得到的平均值具有足够的样品代表性,因此整张样品薄膜的覆盖度为81.0%.4.4 宏观石墨烯薄膜覆盖均匀性表达对于大面积的石墨烯薄膜样品,在15—30个岛的有效SEM图像情况下,九宫格取样使微米尺度的9张图像对5 cm×5 cm样品甚至更大样品具有代表性,并且可以表达宏观石墨烯薄膜的覆盖度均匀性.对于宏观样品,长距离即九宫格取样测量覆盖度所得到的标准偏差σl由两个部分组成:一个九宫格中多个位置测量覆盖度的标准偏差σs和由于样品长距离的不均匀引入的不确定度σu.即或图5 分别从样品a1到a9获得的放大倍数相同的SEM图Fig.5.SEM pictures with the same magnif i cation obtained from sample a1to a9separately.图6 20%石墨烯覆盖度的SEM图像Fig.6.The SEM image of graphene f i lm under 20%covered.最终,给出样品均匀度h:先在任一个九宫格内测量σs,然后通过9点法在样品的大范围内选取测量点测得σl,从而计算出σu和样品均匀度h.以图6样品石墨烯覆盖度20%为例,根据(1)式得到任选一个九宫格内的覆盖度标准偏差σs=2.0%;九宫格取样法得到覆盖度标准偏差σl=2.6%,代入(10)式得到σu=1.6%,则样品覆盖均匀度5 结论石墨烯薄膜被广泛用作各种透明电极,方块电阻是衡量薄膜品质的重要指标之一.不同实验室使用相同生长工艺得到的石墨烯薄膜,或同一实验室使用不同的生长工艺得到的石墨烯薄膜,在比较覆盖度时缺乏合理可靠的标准.本文设计提出了一种结合SEM和图像处理软件来测定覆盖度的方法.利用九宫格分层抽样和等距抽样的方法选取待测石墨烯薄膜样本,通过理论模拟和实验测量,得出了当选取的SEM图像中满足石墨烯岛个数在15—30之间时,石墨烯薄膜覆盖度的不确定度最小,约为1%—4%.通过统计学分析采用SEM图像得到的微区石墨烯薄膜覆盖度,表达宏观石墨烯薄膜覆盖度所需的有效SEM图像数目的取样和计算过程.根据一种定量的通过比较长距离取样和短距离取样所得到的覆盖度的标准偏差,给出了宏观石墨烯薄膜覆盖均匀性的定量表达公式.上述覆盖度和覆盖均匀性测量方法既节省了时间,又保证了测量的有效性,而且这种方法可以推广用于扫描隧道显微镜、原子力显微镜图像,也可以应用于其他二维材料图像的处理.参考文献[1]Geim A K,Novoselov K S 2007Nat.Mater.6 183[2]Geim A K 2009Science324 1530[3]Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,Jiang D,Zhang Y,Dubonos SV,Grigorieva I V,Firsov A A 2004Science306 666[4]Hernandez Y,Nicolosi V,Lotya M,Blighe F M,Sun Z Y,De S,McGovern I T,Holland B,Byrne 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石墨烯量子电容的理论研究摘要：石墨烯作为一种新型的二维材料，具有优异的电学特性，因其极高的导电性和单层厚度，格外吸引了很多科学家的关注。

本文针对石墨烯的电学特性进行了系统、全面的研究，提出了石墨烯量子电容的概念，探究了石墨烯量子电容的各种特性和现象，旨在为进一步研究石墨烯在电子器件中的应用提供一定的理论参考。

关键词：石墨烯、量子电容、电学特性、电子器件引言：随着科学技术的不断进步，人们对于材料学的研究也变得越来越深入。

石墨烯作为一个新兴的二维材料，在电学、磁学、光学等领域都展现出了强大的实验研究和理论模拟的应用潜力。

在电学方面，石墨烯具有极高的导电性、热导性和化学稳定性，以及单层厚度和优异的透明度等特性。

因此，石墨烯在电子器件中的应用前景非常广阔。

其中，石墨烯量子电容是石墨烯在电学领域中独特的一面，也是石墨烯电子器件中需要深入研究的重要问题之一。

论文主体：1. 石墨烯量子电容的基本概念石墨烯量子电容即是利用石墨烯的电性特点，制造出一种新型的电容器，将其用于各种电子器件中，从而实现对电子结构的精细控制。

其中，量子电容指电容值小到可以处理单个电子的电容。

而石墨烯量子电容则是利用石墨烯材料的二维结构和可控的电场，实现纳米尺度下电容器的制作。

2. 石墨烯量子电容的制备及研究方法在制备石墨烯量子电容时，目前主要有两种方法：一种是利用扫描探针显微镜进行定位抽峰制备，另一种则是采用原子层沉积技术。

在研究方法方面，主要有实验测量和理论计算两种方法。

其中实验测量包括电容测试、电流-电压测试、功率谱测试等，而理论计算则包括数学模拟、密度泛函理论等。

3. 石墨烯量子电容的电学特性研究石墨烯量子电容的电学特性是其研究的关键所在。

主要涉及到电容值、磁场调制电容、电流-电压关系、功率谱等问题。

石墨烯量子电容由于其纳米级别结构尺度，其电容值可达到量子级别，且可通过控制电场调节电容值；磁场调制电容即是利用磁场来调控电容值；电流-电压关系类似于Fowler-Nordheim隧道效应，可以实现低电压下电容器的快速充放电；功率谱则可以用来分析电容器的工作频率范围。

表征石墨烯样品中碳原子的
石墨烯是由碳原子形成的二维晶格结构。

因此，对石墨烯样品中的碳原子进行表征可以使用多种方法。

1. 扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）：这
些技术可以用于观察石墨烯的形貌和结构。

SEM可以提供更
大范围的表面形貌信息，而TEM可以提供更高分辨率的结构
信息。

2. X射线衍射（XRD）：XRD可以确定石墨烯的晶格结构和
晶体学性质，包括晶格常数、晶体尺寸等。

3. 拉曼光谱：拉曼光谱可以提供关于石墨烯的结构、晶格振动模式和物理性质的信息。

特别是，拉曼光谱中的G波和2D波
可用于确定石墨烯的存在和层数。

4. 原子力显微镜（AFM）：AFM可以提供高分辨率的表面拓
扑图像，并且还可以通过力曲线测量来获得石墨烯的力学性质。

5. X射线光电子能谱（XPS）：XPS可以提供有关石墨烯中碳
原子价态和化学环境的信息。

6. 感应耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）：ICP-OES可以用
来分析石墨烯样品中的杂质元素含量，例如金属或非金属杂质。

这些方法的选择取决于研究者的需要和石墨烯样品的性质。

通常会使用多种表征技术来确定石墨烯样品的特性。

石墨烯表征技术
石墨烯表征技术是指对石墨烯进行结构、性质、原理等方面的研究与掌握的技术手段。

石墨烯具有独特的结构与性质，因此其表征技术也具有独立性与特殊性，需要针对其特点进行细致的研究。

石墨烯表征技术主要包括传统的表征手段和新型表征技术两个方面。

传统的表征手段主要包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱等。

其中，SEM和TEM主要用于石墨烯的形貌表征，包括层数、形状和尺寸等方面；AFM主要用于石墨烯表面的形貌和力学性质的研究；拉曼光谱则可以研究石墨烯的光学性质、声子谱和其它物理性质。

新型的表征技术则主要包括光电子谱学（XPS）、扫描电化学显微镜(SECM)、磁力显微镜(MFM)、超分辨显微镜(SPM)等。

其中，XPS可以分析石墨烯的电子结构，对于石墨烯的电荷转移、掺杂和缺陷等问题有重要意义；SECM可以探测石墨烯表面纳米尺度的电化学行为；MFM和SPM则可以研究石墨烯的磁性和缺陷等问题。

除了以上表征技术外，石墨烯的表征还需要结合理论计算和模拟等手段，以更深入地理解石墨烯的性质与行为。

然而，石墨烯表征技术依然存在一些问题和挑战。

例如，石墨烯的制备过程中可能会引入杂质，影响表征结果；一些表征技术如TEM等可能会损伤石墨烯的结构，影响其性质和应用等。

因此，石墨烯表征技术研究还需要不断推进和完善。

总的来说，石墨烯表征技术是石墨烯研究和应用的重要基础，其不断发展将极大地促进石墨烯在各个领域的应用与推广。

⽯墨烯拉曼测试解析3.1 ⽯墨烯AFM测试详解单层⽯墨烯的厚度为０.335ｎｍ，在垂直⽅向上有约１ｎｍ的起伏，且不同⼯艺制备的⽯墨烯在形貌上差异较⼤，层数和结构也有所不同，但⽆论通过哪种⽅法得到的最终产物都或多或少混有多层⽯墨烯⽚，这会对单层⽯墨烯的识别产⽣⼲扰，如何有效地鉴定⽯墨烯的层数和结构是获得⾼质量⽯墨烯的关键步骤之⼀。

⽯墨烯的表征主要分为图像类和图谱类图像类以光学显微镜透射电镜TEM 扫描电⼦显微镜、SEM和原⼦⼒显微分析AFM为主⽽图谱类则以拉曼光谱Raman红外光谱IRX射线光电⼦能谱、XPS和紫外光谱UV为代表其中TEM、SEM、Raman、AFM和光学显微镜⼀般⽤来判断⽯墨烯的层数⽽IRX、XPS和UV则可对⽯墨烯的结构进⾏表征，⽤来监控⽯墨烯的合成过程。

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3.1.1 AFM表征图1 AFM的⼯作原理图图3.1 AFM⼯作的三种模式关于AFM的原理这⾥就不多说了，⽬前常⽤的AFM⼯作模式主要有三种：接触模式，轻敲模式以及⾮接触模式。

这三种⼯作模式各有特点，分别适⽤于不同的实验需求。

⽯墨烯的原⼦⼒表征⼀般采⽤轻敲模式（TappingMode）：敲击模式介于接触模式和⾮接触模式之间，是⼀个杂化的概念。

悬臂在试样表⾯上⽅以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表⾯。

这就意味着针尖接触样品时所产⽣的侧向⼒被明显地减⼩了。

因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之⼀。

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⼀旦AFM开始对样品进⾏成像扫描，装置随即将有关数据输⼊系统，如表⾯粗糙度、平均⾼度、峰⾕峰顶之间的最⼤距离等，⽤于物体表⾯分析。

优点：很好的消除了横向⼒的影响。

降低了由吸附液层引起的⼒，图像分辨率⾼，适于观测软、易碎、或胶粘性样品，不会损伤其表⾯。

缺点：⽐ContactModeAFM的扫描速度慢。

3.1.2 AFM表征⽯墨烯原理AFM可⽤于了解⽯墨烯细微的形貌和确切的厚度信息，属于扫描探针显微镜，它利⽤针尖和样品之间的相互作⽤⼒传感到微悬臂上，进⽽由激光反射系统检测悬臂弯曲形变，这样就间接测量了针尖样品间的作⽤⼒从⽽反映出样品表⾯形貌。

收稿日期：2010-04-16。

收修改稿日期：2010-06-28。

国家自然科学基金资助项目(No ．40502008)。

＊通讯联系人。

E -mail ：sunhongjuan@ ；会员登记号：S130010615S 。

第一作者：杨勇辉，男，26岁，硕士研究生；研究方向：纳米材料制备。

石墨烯的氧化还原法制备及结构表征杨勇辉1孙红娟＊,2彭同江2(1西南科技大学理学院，绵阳621010)(2西南科技大学矿物材料及应用研究所，绵阳621010)摘要：采用改进的Hummers 法对天然鳞片石墨进行氧化处理制备氧化石墨，经超声分散，然后在水合肼的作用下加热还原制备了在水相条件下稳定分散的石墨烯。

用红外光谱、拉曼光谱、扫描探针显微镜和ζ电位仪对样品进行了结构、谱学、形貌和ζ电位分析。

结果表明，石墨被氧化后形成以C=O 、C -OH 、-COOH 和C -O -C 等官能团形式的共价键型石墨层间化合物；还原氧化石墨后形成的石墨烯表面的官能团与石墨的相似；氧化石墨烯和石墨烯在碱性条件下可形成稳定的悬浮液；氧化石墨烯和石墨烯薄片厚度为1.0nm 左右。

考察并讨论了还原过程中水合肼用量，体系反应温度、反应时间和pH 值对石墨烯还原程度和稳定性的影响，水合肼用量和反应时间是影响石墨烯还原程度的主要因素；pH 值对石墨烯稳定性影响较大。

关键词：石墨烯；氧化石墨；Hummers 法；氧化还原法中图分类号：O613.71文献标识码：A文章编号：100-4861(2010)11-2083-08Synthesis and Structural Characterization of Graphene by Oxidation ReductionYANG Yong -Hui 1SUN Hong -Juan ＊,2PENG Tong -Jiang 2(1College of Science,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan 621010)(2Institute of Mineral Materials &Application,Southwest University of Science and Technology,Mianyang,Sichuan 621010)Abstract:The graphite oxide (GO)was prepared from purified natural flake graphite by the modified Hummers method.The colloidal form of graphene was subsequently prepared by ultrasonicating GO in the presence of hydrazine hydrate.The samples were characterized by using FTIR,Raman,Scanning Probe Microscopy (SPM)and ζpotential technique.The results suggest that the graphite is oxidized to covalent bond -type graphite intercalation compounds with various oxygen bearing functional groups (C=O,C -O,C -OH,-COOH and C -O -C).FTIR spectra show that the surface functional groups of graphite and graphene are almost the same.Graphene oxide and graphene can readily form stable aqueous colloids in water or in alkali solution with uniform sheet thickness of 1nm.The factors affecting reduction degree and stability of graphene were discussed in reduction process,such as hydrazine hydrate dosage,reaction time and pH value in system.Reduction degree of graphene is mainly controlled by hydrazine hydrate dosage,reaction time in system while the stability is mainly affected by the pH value.Key words:graphene;graphite oxide;Hummers method;oxidation reduction石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种新型炭质材料，是自然界已知材料中最薄的一种材料。