[論文レビュー] Optical microscope based universal parameter for identifying layer number in two-dimensional materials

Mainak Mondal, Ajit Kumar Dash+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2022

Graphene research and applications参考文献 50被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、RGBおよびRAW光学顕微鏡画像を用いて2次元材料の層数を決定する普遍的な光学的手法を提案する。照明条件を変化させた際のフラックと基板の信号間の強度勾配（RGB用）または強度比（RAW用）を測定することで、システムに依存しない信頼性の高い層数同定が可能となり、Fresnel反射モデルとMATLAB GUIを用いてMoS2、WSe2、グラフェンの全範囲で検証された。

ABSTRACT

Optical contrast is the most common preliminary method to identify layer number of two-dimensional (2D) materials, but is seldom used as a confirmatory technique. We explain the reason for variation of optical contrast between imaging systems. We introduce a universal method to quantify the layer number using the RGB (red-green-blue) and RAW optical images. For RGB images, the slope of 2D flake (MoS2, WSe2, graphene) intensity vs. substrate intensity is extracted from optical images with varying lamp power. The intensity slope identifies layer number and is system independent. For RAW images, intensity slopes and intensity ratios are completely system and intensity independent. Intensity slope (for RGB) and intensity ratio (for RAW) are thus universal parameters for identifying layer number. A Fresnel-reflectance-based optical model provides an excellent match with experiments. Further, we have created a MATLAB-based graphical user interface that can identify layer number rapidly. This technique is expected to accelerate the preparation of heterostructures, and fulfil a prolonged need for universal optical contrast method.

研究の動機と目的

• 異なる画像処理システム間で普遍的かつ信頼性のある光学コントラスト法が2次元材料の層数同定に不足している問題を解決すること。
• 照明条件や顕微鏡システムの影響を受けるため、従来の光学コントラストパラメータ（例：強度比α）に起因する後処理効果の制限を克服すること。
• 強度勾配（RGB用）および強度比（RAW用）に基づく、システムに依存しないパラメータを構築し、層数を正確に同定すること。
• Fresnel反射モデルを用いて、MoS2、WSe2、グラフェンの複数の2次元材料および複数の画像処理システムで、この手法を検証すること。
• MATLAB GUIを用いて、日常の実験で迅速かつ正確に層数を同定できる実用的でアクセスしやすいツールを提供すること。

提案手法

• SiO2/Si基板上に2次元フラックを有するRGBおよびRAW光学顕微鏡画像を、ランプ出力を変化させながら撮影し、フラック強度（IF）および基板強度（ISub）を測定する。
• 照明レベルを増加させた際のIF対ISubの線形フィットから、強度勾配μ = d(IF)/d(ISub)を計算する。この勾配はRGBにおいてシステムに依存しない。
• RAW画像では、強度比α = IF / ISubを用いる。線形応答におけるゼロ切片のため、この比は画像処理システムおよび照明条件に完全に依存しない。
• Fresnel反射に基づく光学モデルを適用し、測定された強度比および勾配を理論的に予測・検証する。
• MATLABベースのグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を実装し、強度勾配および比の抽出を自動化し、迅速な層数同定を実現する。
• 複数の画像処理システム（IS1–IS4）、異なる数値孔径を持つレンズ、および材料（MoS2、WSe2、グラフェン）を用いて一貫性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RGB画像における強度勾配は、2次元材料の層数同定に用いるシステムに依存しないパラメータとして利用可能か？
• RQ2 なぜ従来の光学コントラストパラメータ（例：強度比α）は、異なる画像処理システムや照明レベルで変動するのか？
• RQ3 RAW画像における強度比は、実際には画像処理システムおよび光強度に依存せず、普遍的な層数同定が可能か？
• RQ4 Fresnel反射モデルは、2次元材料系における測定された強度比および勾配をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 提案手法は、MoS2、WSe2、グラフェンといった異なる2次元材料および画像設定に一般化可能か？

主な発見

• RGB画像における強度勾配（μ）はシステムに依存せず、層数を一意に同定可能である。20X対物レンズを用いた場合、モノレイヤー、バイレイヤー、トリレイヤーのMoS2ではそれぞれμ値が0.83、0.68、0.55である。
• RAW画像における強度比（α）は、画像処理システムおよびランプ出力に完全に依存せず、モノレイヤー、バイレイヤー、トリレイヤーのMoS2ではそれぞれα値が0.83、0.68、0.55である。
• RGB画像において、IF対ISubの線形フィットにおける切片は、システム間で顕著に異なる（例：0.02から-9.44まで）ため、αのシステム依存性が説明され、αが普遍的パラメータとして不適切であることが示された。
• 同じ層数に対して、異なる画像処理システム（IS1–IS4）間で強度勾配μが一貫しており、層数同定における普遍性が裏付けられた。
• Fresnel反射モデルは、測定された強度比および勾配を正確に予測でき、本手法の物理的根拠が確認された。
• MATLAB GUIを用いることで、強度勾配および比パラメータを用いて迅速かつ自動的に層数同定が可能となり、2次元ヘテロ構造の作製が著しく加速された。