[论文解读] Optical contrast of single- and multi-layer graphene deposited on a gold substrate

I. Własny, P. Dąbrowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2011

Graphene research and applications参考文献 4被引用 3

一句话总结

本研究采用扩展的菲涅尔理论，对金/二氧化硅/硅基底上石墨烯的光学对比度进行建模，证明通过光学显微镜可可靠识别单层、双层和三层石墨烯。最佳检测条件为约7 nm金层和约110 nm二氧化硅层，可在可见光波段实现高达60%的对比度，从而实现快速、非侵入式的层数计数与定位。

ABSTRACT

We study the optical contrast for single and multilayer graphene deposited on a Au/SiO2/Si substrate. Our results prove that optical microscopy allows for easy and quick localization, identification and counting of graphene layers. Visibility depends on the thicknesses of the Au and SiO2 layers as well as the wavelength of the light used. We propose optimum parameters for the detection of graphene.

研究动机与目标

• 确定用于可靠光学识别单层与多层石墨烯的最优基底参数。
• 量化金层和二氧化硅层厚度以及光波长对光学对比度的影响。
• 建立光学显微镜可准确区分单层、双层和三层石墨烯的条件。
• 为石墨烯-金异质结构中的光学对比度优化提供理论框架。

提出的方法

• 采用扩展的菲涅尔理论对五层系统（空气/石墨烯/金/铬/二氧化硅/硅）的光学响应进行建模。
• 使用石墨烯（2.6 – 1.3i）、金、铬、二氧化硅和硅的复折射率，其中金和铬的值随波长变化。
• 通过在所有界面上迭代应用菲涅尔方程，计算反射率和光学对比度。
• 将光学对比度定义为有无石墨烯时反射率的相对变化，使用公式（6）。
• 改变金层厚度（d₃）、二氧化硅层厚度（d₁）和波长（λ），在参数空间中绘制对比度分布。
• 通过Δₖ = (4π/λ)nₖdₖ和递归反射振幅方程（3）与（4）评估相位延迟和光程差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金/二氧化硅/硅基底上，何种金层和二氧化硅层厚度可使单层与多层石墨烯的光学对比度达到最大？
• RQ2 入射光波长如何影响通过光学对比度观察石墨烯层的可见性？
• RQ3 在标准照明条件下，光学显微镜能否可靠地区分单层、双层和三层石墨烯？
• RQ4 金和二氧化硅的折射率及层厚如何影响反射光的强度与对比度？
• RQ5 实现高对比度、非破坏性石墨烯层数识别的最优实验参数是什么？

主要发现

• 当金层厚度为5–8 nm时，石墨烯在金/二氧化硅/硅基底上的光学对比度最高可达60%。
• 金层厚度超过30 nm时，由于石墨烯/金界面后透射光被完全吸收，光学对比度完全消失。
• 二氧化硅层厚度在90–180 nm范围内可在大多数可见光波段支持高对比度，其中90–130 nm在绿光照明下对人眼观察最为理想。
• 在采用最优基底参数时，单层、双层和三层石墨烯可在几乎所有可见光波段清晰区分。
• 在短波长区域出现负对比度值（表示石墨烯比基底更亮），但该值在对比度公式中未明确定义，且绝对值低于定义的对比度范围。
• 反射光强度随对比度增加而降低，因此需要高亮度光源以实现可靠检测，尤其在非单色光照明条件下。