[论文解读] Rapid characterization of wafer-scale 2D material: Epitaxial graphene and graphene nanoribbons on SiC

Vishal Panchal, Yanfei Yang+9 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2017

Graphene research and applications参考文献 21被引用 3

一句话总结

本文展示了共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）能够实现快速、非破坏性且适用于大气环境的晶圆级外延石墨烯及石墨烯纳米带在SiC衬底上的表征。凭借约150 nm的分辨率和比拉曼光谱或扫描探针显微镜（SPM）快数百倍的采集速度，CLSM通过强度对比区分石墨烯相（界面层、单层/双层、外延生长层），为工业级二维材料质量控制提供了一种可扩展的解决方案。

ABSTRACT

We demonstrate that the confocal laser scanning microscopy (CLSM) provides a non-destructive, highly-efficient characterization method for large-area epitaxial graphene and graphene nanostructures on SiC substrates, which can be applied in ambient air without sample preparation and is insusceptible to surface charging or surface contamination. Based on the variation of reflected intensity from regions covered by interfacial layer, single layer, bilayer, or few layer graphene, and through the correlation to the results from Raman spectroscopy and SPM, CLSM images with a high resolution (around 150 nm) reveal that the intensity contrast has distinct feature for undergrown graphene (mixing of dense, parallel graphene nanoribbons and interfacial layer), continuous graphene, and overgrown graphene. Moreover, CLSM has a real acquisition time hundreds of times faster per unit area than the supplementary characterization methods. We believe that the confocal laser scanning microscope will be an indispensable tool for mass-produced epitaxial graphene or applicable 2D materials.

研究动机与目标

• 开发一种快速、非破坏性且适用于大气环境的晶圆级二维材料在SiC衬底上的表征方法。
• 识别CLSM中与不同石墨烯相（如界面层、单层、双层、外延生长层）相关的独特光学对比度模式。
• 实现对外延石墨烯和石墨烯纳米带的高通量质量评估，以支持工业规模化应用。
• 减少对耗时且需复杂准备的检测技术（如拉曼光谱和扫描探针显微镜SPM）的依赖。
• 确立CLSM作为监测石墨烯生长和形貌演变过程中实时、实用的工具。

提出的方法

• 利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）在无需样品制备的情况下，于大气条件下对4H-SiC衬底上的晶圆级外延石墨烯和石墨烯纳米带进行成像。
• 测量不同石墨烯区域（界面层、单层、双层、少层、外延生长层）的反射激光强度变化，生成高分辨率（≈150 nm）的光学对比度图。
• 将CLSM的强度对比模式与拉曼光谱和扫描探针显微镜（SPM）的参考数据进行关联，以验证相识别的准确性。
• 通过实时CLSM成像，实现单位面积采集速度比拉曼光谱或SPM快数百倍。
• 分析强度对比特征，以区分未完全生长的石墨烯（致密的平行纳米带+界面层）与连续及外延生长的石墨烯。
• 采用561 nm激光激发，利用石墨烯多层结构与界面层之间光学反射率的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 CLSM能否实现对外延石墨烯和石墨烯纳米带在SiC衬底上晶圆级的快速、非破坏性且适用于大气环境的表征？
• RQ2 不同的CLSM强度对比度模式是否与特定石墨烯相（如界面层、单层、双层、外延生长层）相关？
• RQ3 CLSM在大面积二维材料检测中的采集速度与拉曼光谱和SPM等传统方法相比如何？
• RQ4 CLSM能否可靠地区分未完全生长的石墨烯（纳米带阵列与界面层共存）与连续及外延生长的石墨烯？
• RQ5 CLSM在无需样品制备的情况下，是否对大气环境中表面电荷积累和污染具有鲁棒性？

主要发现

• CLSM在表征SiC衬底上的外延石墨烯和石墨烯纳米带时，实现了约150 nm的空间分辨率，能够实现详细的形貌映射。
• CLSM图像中明显的强度对比度清晰地区分了未完全生长的石墨烯（纳米带与界面层共存）、连续石墨烯和外延生长石墨烯。
• CLSM的采集速度比拉曼光谱和SPM快数百倍，实现了高通量检测。
• CLSM实现了非破坏性、适用于大气环境的表征，无需样品制备，且不受表面电荷或污染影响。
• 与拉曼光谱和SPM的对比结果表明，CLSM的强度变化可可靠指示不同石墨烯层数和结构相。
• 该方法在晶圆级二维材料（如外延石墨烯）的工业级质量控制方面展现出巨大潜力。