一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法技术

本发明专利技术涉及一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法，包括：光源产生的光通过暗场光学成像技术系统光路倾斜入射到所观测的二维材料样品及衬底上，部分散射光线处在暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备的光线收集范围内；收集二维材料样品层数变化区域的散射光线，转换为光学照片；读取光学照片中每个像素的亮度值，并绘制位置

【技术实现步骤摘要】
一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法


[0001]本专利技术涉及一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法，属于二维材料测量表征


技术介绍

[0002]暗场光学成像技术是指使用光线斜入射、利用被观测物理边缘反光的光学成像技术。暗场光学成像技术通常分为透射式暗场及反射式暗场。其中，透射式暗场常被应用在生物、医学领域探测。暗场光学成像技术的优点在于可以清晰的分辨被观察样品的轮廓。暗场光学成像图像和明场(亮场)图像相比具有对比度高的优势。反射式暗场常常需要配合金相显微系统使用。常被用于观测粉末或金属颗粒。
[0003]二维材料是指的材料中的电子仅可在平面内两个维度上运动的材料。厚度仅有一个原子层到几十个原子层。与对应的体材料相比，二维材料往往有优异的性能。二维材料的突出代表就是于2004年被发现并于2010年获得诺贝尔奖的石墨烯。二维材料的性质往往与厚度紧密联系。因此，准确的测量二维材料的厚度是开展进一步研究的前提。
[0004]然而，由于二维材料仅有原子级的厚度，对于其厚度的准确表征仍存在挑战。现有的检测方法主要有：光学对比度法、拉曼光谱法、原子力显微镜法以及扫描透射电子显微镜法。其中，光学对比度法是目前主流的方法，具有速度快、成本低的优势。基于光学对比度法已有国家标准：GB/T40071
‑
2021。在观测层数小于5层时，拉曼光谱法具有特征峰明显的特点。但拉曼光谱法难以表征层数较多的二维材料层数。基于拉曼光谱法已有国家标准：GB/T 40069
‑/>2021。原子力显微镜的理论精度较高，但是，易受测量参数设置及环境的影响。相比光学对比度法，原子力显微镜设备价格较高，扫描时间更长。扫描透射电镜具有最直观的微观结构图像以获得层数，但是，扫描透射电镜设备极其昂贵，制样过程十分复杂，需要额外的大型设备辅助制样。同时，使用扫描透射电镜测量也会对被测样品产生不可逆的损伤。
[0005]综上，现有光学对比度法存在的主要问题有：精度低，在被观测样品与衬底折射率相近时对比度低，难以应用于透明衬底。在表征层数较多的样品时仅能进行定性分析；拉曼光谱法的主要问题有：激光光源及相关光路搭建昂贵，难以表征较厚样品，进行面扫描时耗时较长。原子力显微镜方法的主要问题有：设备较昂贵，易受衬底及环境影响；扫描透射显微镜问题有：设备极其昂贵，测量须复杂制样操作，测量会对样品产生不可逆破坏。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法；
[0007]本专利技术具有高对比度、低成本、低耗时、可调节、无损伤、高通用性的优势。其中，最显著的特点为在对比度指标上远高于现有国家标准：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。
[0008]本专利技术的技术方案为：
[0009]一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法，包括：
[0010]光源产生的光通过暗场光学成像技术系统光路倾斜入射到所观测的二维材料样品及衬底上，照射在二维材料样品层数变化区域的入射光，因电偶极矩与二维材料样品内部区域不同而发生瑞利散射，部分散射光线处在暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备的光线收集范围内；
[0011]通过暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备收集二维材料样品层数变化区域的散射光线，通过暗场光学成像技术系统中的成像设备转换为光学照片；
[0012]读取光学照片中每个像素的亮度值，并绘制位置
‑
亮度曲线；
[0013]计算暗场对比度，为二维材料样品的亮度与衬底的亮度的差值；二维材料样品的亮度是指位置
‑
亮度曲线中的最大亮度值；衬底的亮度是没有二维材料样品的位置读取的照片的亮度值的平均值；
[0014]通过二维材料层数与暗场对比度的相关关系计算二维材料层数。
[0015]根据本专利技术优选的，二维材料层数与暗场对比度的相关关系的求取过程为：
[0016]光源产生的光通过暗场光学成像技术系统光路倾斜入射到已知层数的二维材料样品及衬底上，照射在二维材料样品层数变化区域的入射光，在二维材料样品层数变化区域处因电偶极矩与样品内部区域不同而发生瑞利散射，部分散射光线处在暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备的光线收集范围内；
[0017]通过暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备收集二维材料样品层数变化区域的散射光线，通过暗场光学成像技术系统中的成像设备转换为光学照片；
[0018]读取光学照片中每个像素的亮度值，并绘制位置
‑
亮度曲线；
[0019]计算暗场对比度，为二维材料层数变化区域的亮度与衬底的亮度的差值；
[0020]建立二维材料的层数与暗场对比度的相关关系。
[0021]根据本专利技术优选的，读取光学照片中每个像素的亮度值，并绘制位置
‑
亮度曲线，包括：通过图像处理软件中的图片读取函数相应功能，读取光学照片中每个像素的亮度值，并以位置为X轴，亮度值为Y轴，绘制位置
‑
亮度曲线。
[0022]根据本专利技术优选的，二维材料为石墨烯时，二维材料层数与暗场对比度的相关关系如式(1)所示：
[0023]m＝n*t+s
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0024]式(1)中，m为暗场对比度，n为每层对比度贡献值，t为二维材料层数，s为修正参数。
[0025]进一步优选的，当光源的光照强度为36.6μW/cm2，成像设备的积分时间为2000ms时，第1133行剖线上每一层的石墨烯的对比度贡献值为40.3
±
4.3。
[0026]根据本专利技术优选的，所述暗场光学成像技术系统包括光源、光学信息接受设备、成像设备；所述暗场光学成像技术系统的型号为Eclipse LV150N,Nikon；所述光学信息接受设备的型号为CFI TU plan EPI ELWD，成像设备的型号为Ds
‑
Ri2,Nikon。
[0027]进一步优选的，所获得的光学照片分辨率为2048像素*1536像素灰度格式图片，所获得图片的单像素亮度最低值为0，最高值为255，亮度步长为1，选取经过二维材料样品的某1列像素或某1行像素，读取每个像素的亮度值并绘制位置
‑
亮度曲线；或者，选取二维材料样品所在的多列像素或多行像素，读取每个像素的亮度值，计算多列像素或多行像素的
亮度值的平均值，并绘制位置
‑
亮度曲线。
[0028]根据本专利技术优选的，所述光源发射的光波长，覆盖所有光学波段；
[0029]进一步优选的，所述光源发射的光波长覆盖的光学波段为156
‑
1000nm。
[0030]最优选的，所述光源发射的光波长覆盖的光学波段为300
‑
800nm。
[0031]根据本专利技术优选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法，其特征在于，包括：光源产生的光通过暗场光学成像技术系统光路倾斜入射到所观测的二维材料样品及衬底上，照射在二维材料样品层数变化区域的入射光，因电偶极矩与二维材料样品内部区域不同而发生瑞利散射，部分散射光线处在暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备的光线收集范围内；通过暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备收集二维材料样品层数变化区域的散射光线，通过暗场光学成像技术系统中的成像设备转换为光学照片；读取光学照片中每个像素的亮度值，并绘制位置
‑
亮度曲线；计算暗场对比度，为二维材料样品的亮度与衬底的亮度的差值；二维材料样品的亮度是指位置
‑
亮度曲线中的最大亮度值；衬底的亮度是没有二维材料样品的位置读取的照片的亮度值的平均值；通过二维材料层数与暗场对比度的相关关系计算二维材料层数。2.根据权利要求1所述的一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法，其特征在于，二维材料层数变化区域的与暗场对比度的相关关系的求取过程为：光源产生的光通过暗场光学成像技术系统光路倾斜入射到已知层数的二维材料样品及衬底上，照射在二维材料样品层数变化区域的入射光，在二维材料样品层数变化区域处因电偶极矩与样品内部区域不同而发生瑞利散射，部分散射光线处在暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备的光线收集范围内；通过暗场光学成像技术系统的光学信息接受设备收集二维材料样品层数变化区域的散射光线，通过暗场光学成像技术系统中的成像设备转换为光学照片；读取光学照片中每个像素的亮度值，并绘制位置
‑
亮度曲线；计算暗场对比度，为二维材料层数变化区域的亮度与衬底的亮度的差值；建立二维材料的层数与暗场对比度的相关关系。3.根据权利要求1所述的一种使用暗场光学成像技术判别二维材料层数的方法，其特征在于，读取光学照片中每个像素的亮度值，并绘制位置
‑
亮度曲线，包括：通过图片处理软件中的图片读取函数相应功能，读取光学照片中每个像素的亮度值，并以位置为X轴，亮度值为Y轴，绘制位置
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋爱民，张葆青，张子豪，张嘉炜，张翼飞，王一鸣，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：