ICS 17.180.30 CCS A 50 中华人民共和国国家标准 GB/T 40071—2021 纳米技术 石墨烯相关二维材料的 层数测量 光学对比度法 NanotechnologiesMeasurement of the number of layers of graphene related two-dimensional (2D) materialsOptical contrast method 2021-12-01实施 2021-05-21发布 国家市场监督管理总局 发布 国家标准化管理委员会 GB/T 40071—2021 前言 本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定 起草。 请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任， 本文件由中国科学院提出。 本文件由全国纳米技术标准化技术委员会纳米材料分技术委员会（SAC/TC279/SC1)归口。 学院半导体研究所、哈尔滨工业大学（威海）、冶金工业信息标准研究院、江南大学、华东师范大学、深圳 技术大学。 本文件主要起草人：倪振华、梁铮、丁荣、谭平恒、王英英、安旭红、于远方、李倩、南海燕、吴幸 陈丽琼。 1 GB/T40071—2021 引言 石墨烯相关二维材料（层数不多于10的碳基二维材料，包括石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、氧化 烯相关二维材料的层数是影响其性能的关键参数。准确测量层数是研究、开发和应用石墨烯相关二维 材料的核心问题。光学对比度法作为一种快速、无损和高灵敏度的测量方法，已经被广泛应用于测量石 墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯等石墨烯相关二维材料的层数。 在利用光学对比度法测量层数的过程中，测量结果会受到硅（Si）衬底表面二氧化硅（SiOz）层的厚 度，显微物镜的数值孔径，数据的处理方法等各种测试条件的影响，需要对其进行标准化 Ⅱ GB/T40071—2021 纳米技术石墨烯相关二维材料的 层数测量光学对比度法 警示一一使用本文件的人员应该有正规实验室工作的实践经验。本文件并未指出所有可能的安全 问题。本文件规定的一些试验过程可能会导致危险情况，使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并 保证符合国家有关法规规定的条件。 1范围 器设备、样品准备、测量步骤、测试报告等内容。 本文件适用于利用机械剥离法或化学气相沉积法（CVD：chemicalvapordeposition）制得的晶体质 量高、横向尺寸不小于2um、层数不多于5的石墨烯薄片及石墨烯薄膜的层数测量。其他方法制得的 石墨烯薄片及石墨烯薄膜可参照本文件执行。 2 2规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅 该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。 GB/T30544.13纳米科技术语第13部分：石墨烯及相关二维材料 3术语和定义 GB/T30544.13界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 石墨烯相关二维材料graphene-related2Dmaterial;GR2M 层数不多于10的碳基二维材料。 注：包括石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、氧化石墨烯等 3.2 石墨烯薄片grapheneflake 石墨烯纳米片graphenenanoplate;graphenenanoplatelet;GNP 由石墨烯层构成的纳米片。 注：常见厚度小于3nm，横向尺寸范围约为100nm至100μm。 ［来源：GB/T30544.13—2018,3.1.2.11,有修改］ 3.3 石墨烯薄膜 graphenefilm 由石墨烯层构成的纳米薄片。 注1：常见厚度小于3nm 注2：与石墨烯薄片（3.2)相比，石墨烯薄膜（3.3)在长度和宽度上有更大的延伸。 3.4 层数 numberof layers 《二维材料构成二维材料的层的数目。 1 GB/T 40071—2021 3.5 光学对比度值opticalcontrastvalue 《二维材料》空白衬底区域的反射光强度与衬底上样品所处区域的反射光强度的相对差异，见公式 (1)。 I substrate C= ·(1) I subsrrate 式中： c 光学对比度值； Isubstrale 空白衬底区域的反射光强度； I sample 样品所处区域的反射光强度。 注：衬底上的样品通常为纳米片[例如，石墨烯薄片（3.2)或纳米薄片［例如，石墨烯薄膜（3.3)]。 3.6 G通道对比度值 Gchannelcontrast value 绿通道对比度值 《二维材料》利用光学显微图片中空白衬底区域的G通道数值与衬底上样品所处区域的G通道数 值的相对差异来表示的光学对比度值（3.5），见公式（2）。 .(2 ) Gsubstrate 式中： CG G通道对比度值； G substrate 光学显微图片中空白衬底区域的G通道数值； Gsample 光学显微图片中样品所处区域的G通道数值。 注1：衬底上的样品通常为石墨烯薄片（3.2）或石墨烯薄膜（3.3）。 注2：红通道（R通道）对应的波长范围约为590nm～720nm，绿通道（G通道）对应的波长范围约为520nm~ 590nm，蓝通道（B通道）对应的波长范围约为435nm~520nm。 3.7 光学对比度法 optical contrast method 《二维材料》利用光学对比度值（3.5)判定特定衬底上纳米片、纳米薄片的层数（3.4)的方法。 4原理 4.1理论基础 如图1a)所示，（从上至下）由石墨烯薄片或石墨烯薄膜、SiO,层、Si层形成一个多层膜结构。由于 二维材料自身的光吸收以及多层薄膜干涉效应的影响，Isample和Isubstrate存在差异，利用公式（1）可计算得 到衬底与样品之间的光学对比度值C。理论计算及实验结果均证明，石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数 不同时，C亦不相同，层数与C存在一一对应关系，因此可利用C判定石墨烯薄片或石墨烯薄膜的 层数。 理论上不同入射光波长下均可以使用光学对比度法。当人射光为连续波长的白光时，反射光强度 的大小依赖于波长。设波长为入时的反射光强度为I（入），则根据公式（3）可得 I substrate ()—I rample (入) C(a) : .....(3) Ixubstrate (α) 式中： C(α) 波长为入时的光学对比度值。当波长入取一系列连续值时，C（入）也称作光学对比 2 GB/T 40071—2021 度谱； I suhstrate () 波长为入时，空白衬底区域的反射光强度。当波长入取一系列连续值时，Isubsrate（入）也 称作衬底的反射光谱； I sample (入) 波长为入时，样品区域的反射光强度。当波长入取一系列连续值时，Isample（入）也 称作样品的反射光谱。 0.5 11 0.4 空气 TF 0112 氧化硅 硅 波长/nm a）多层膜入射、反射、透射模型 b）不同层数石墨烯薄片或石墨烯 薄膜的理论光学对比度谱 图1光学对比度法原理示意图 4.2常用光学对比度法的测量原理 4.2.1反射光谱法 图1b)所示即为理论计算所得的不同层数的石墨烯薄片或石墨烯薄膜在300nmSiO2/Si衬底上 的光学对比度谱C（a），其中波长入的范围为400nm～800nm，光学显微图片的B、G、R通道对应的波 长范围分别用蓝、绿、红区域进行标识。由图1b)可知： a）不同层数的石墨烯薄片或石墨烯薄膜所对应的光学对比度谱C（入)不同，波长入相同时层数越 A 多则C(>)也越大； b）不同层数所对应的光学对比度谱C（a）在可见光波长范围内（约为435nm～720nm）存在一个 峰（极大值），将该峰值记为C，，并将C，对应的波长值记为入，； c） 不同层数对应的光学对比度峰值C.之间的差异最大，最适宜用于判定样品的层数。因此，可 利用C测量石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数， 4.2.2光学图片法 如图1b)所示，当石墨烯薄片或石墨烯薄膜层数为1～5时，虽然其各自的入，存在一些差异，但均处 于光学显微图片的G通道内，因此Isample（入，）、Isubstrate（入）也可分别用G通道数值Gsample、Gsubstrate来代替， 并利用公式（2)得到样品与衬底之间的G通道对比度值CG。G通道对比度值的理论值为光学对比度谱 在通道对应波长范围内的积分平均值。由图1b)可知，石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数不同时，Cc亦 不相同，层数与Cc存在一一对应关系，因此也可以用Cc测量石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数 需要注意的是，在应用光学图片法测量层数前，先基于已知层数的样品建立起“G通道对比度值 C一一层数对应关系”表（如表2所示）。建立起该表后，在相同的测试条件下，可用光学图片法快速、 准确地测量层数。 5仪器设备 5.1显微光谱仪：用于反射光谱法，含光栅分光光谱仪及光学显微装置，具有反射光谱测量功能。其 3 GB/T 40071—2021 中，光谱仪扫描范围为400nm～800nm，光谱分辨率优于2nm。测量前，应按相关技术规范对显微光 谱仪进行校准，并按相关测试规范进行测试。 5.2光学显微镜：用于光学图片法，配备白光光源（如卤素灯或氙灯），100倍物镜（数值孔径不小于 0.8），观察方式为明场；含数字相机，可成彩色像，其像素优于10万。 6样品准备 6.1本文件使用的衬底应为表面具有300nm土5nm厚的SiOz层的Si衬底（以下称为300nmSiOz/ Si衬底）。 6.2对于机械剥离于300nmSiO2/Si衬底的石墨烯薄片样品，可直接使用，无需进一步处理。 6.3对于CVD制备的石墨烯薄膜样品，需将样品转移至300nmSiOz/Si衬底上（具体步骤可参考附 录A)。 6.4在显微镜下观测样品，测试区域内应无明显杂质。 7测量步骤 7.1反射光谱法测量步骤 7.1.1选择测量区域 利用光学显微镜观测样品，确定样品测量区域。该区域需同时包含空白衬底和样品。 7.1.2采集反射光谱 7.1.2.1对测量区域进行聚焦以观测到清晰的石墨烯薄片或薄膜边沿。 7.1.2.2测量衬底的反射光谱，波长扫描范围为400nm～800nm，调节入射光强或积分时间使得波长 7.1.2.3在相同的观测条件下，依次采集衬底及样品的反射光谱Isubstrae（入）和Isample（入）。其中，衬底、样 品所在区域分别随机选择5个位置进行采集，得到Isubstrate（a），Iample（入），其中i=1～5。 7.1.3获得光学对比度谱 根据公式（3），由衬底及样品的反射光谱Ibstrate（a），I(inple（a），得到光学对比度谱C（i）（入），其中= 1~5。 7.1.4获得光学对比度谱