FOLLOW US ON
+7 (495) 374-04-01
Отраслевые решения

Преимущества визуализирующей эллипсометрии в исследовании графена

Графен представляет из себя двумерный слой трехмерного графита и является многообещающим двумерным материалом для создания новых электронных устройств. Из привлекательных характеристик графена можно выделить высокую кристалличность, баллистический перенос электронов (без рассеяния электронов и потерь энергии) на субмикронном уровне, а также поведение носителей заряда как безмассовых дираковских фермионов. Используемые в современных экспериментах образцы графена получаются путем микромеханичекого скалывания с поверхности графита (простейший способ — скотчем), их называют флейками, хлопьями или чешуйками. Несмотря на кажущуюся простоту процедуры, графен очень трудно распознать среди всего разнообразия чешуек различной толщины, образующихся при таком скалывании. Другая сложность в отыскании графена состоит в низкой производительности существующих методик визуализации (включая атомно-силовую, сканирующую туннельную и электронную микроскопии) при работе с атомарным разрешением, или же отсутствие четких знаков различия между атомарными монослоями и более толстыми чешуйками. Даже рамановская спектроскопия, зарекомендовавшая себя в идентификации графена, все еще не автоматизирована для поиска его кристаллитов. Атомно-силовая микроскопия, хотя и является наиболее прямым методом к оценке перепада высот, однако ее производительность на атомарном уровне остается довольно низкой и может вызвать разрушение кристаллической решетки в процессе измерений. Более того, полученные этим методом значения трудны в интерпретации, поскольку могут быть искажены различными адсорбентами в окружающих условиях.

До недавнего времени единственным способом отделить графен оставался метод скалывания графита на поверхности окисленной кремниевой подложки и дальнейшее аккуратное сканирование его поверхности в оптическом микроскопе. В зависимости от длины волны источника излучения и толщины графеновых флейков, они могут видимы или невидимы в обычном микроскопе.

При поиске графеновых флейков в оптическом микроскопе [1] были рассмотрены подложки из диоксида кремния толщиной 200 и 300 нм. Как можно видеть на изображениях, при освещении образца белым светом на подложке толщиной 300 нм (средний ряд, a), графен обнаруживается, а при изменении толщины подложки на 200 нм (средний ряд, c) уже ничего не видно (однако видимость приходит при толщине самого графена в 10 и более слоев — но это уже не графен, а графит).  Верхний и нижний ряд — это те же образцы (a и c соответственно), но полученные с применением различных фильтров: для 300 нм флейк становится виден в зеленом свете, тогда как для 200 нм — это синий свет.

На подложках, отличных от диоксида кремния или кремния, обнаружить графен с помощью оптического микроскопа очень затруднительно. Теоретическое обоснование этого явления можно посмотреть в работе Xuefeng Wang et al., «Optical contrast and clarity of graphene on an arbitrary substrate», Applied Physics Letters 95, 2009. Для получения контраста при визуализации графена необходима подложка с коэффициентом отражения 1. Визуализирующая эллипсометрия же позволяет идентифицировать флейки, а также определять форму и число слоев графена на любой плоской подложке.

 

На изображениях слева представлен пример исследования графеновых флейков на подложке арсенида галлия [2]. a — изображение СЭМ; b и с — ВЭ (визуализирующая эллипсометрия).  На изображении СЭМ графеноый флейк и остатки клея L-формы (по-видимому, оставшиеся как артефакт в результате микромеханического скалывания графена скотчем) дают выраженный контраст, и только резкие границы флейка позволяют идентифицирвать его среди всей массы. На изображения ВЭ при разных углах П (поляризатора) и А(анализатора) артефактные остатки то изчезают, то появляются.

Флейки графена можно исследовать и другими методами: АСМ по перепаду высот позволяет определить толщину флейка, а конфокальная микроскопия — дает значения оптических параметров; по отдельности же эти два метода не позволяют независимо измерять все три величины. Также необходим специальный механизм для локализации определенного флейка графена в поле зрения обоих приборов. Для визиуализирующей эллипсометрии такого механизма не нужно. Кроме этого, метод неинвазивен по сравнению с АСМ, дешевле, и результаты получаются быстрее.

Чем полезна визуализирующая эллипсометрия?

  • удобный метод быстрого отыскания графеновых флейков
  • возможность измерения оптических характеристик и толщины флейков с высокой точностью
  • графен легко идентифицировать среди артефактов
  • нет ограничений на используемую подложку

Контрастные изображения с оптического микроскопа (b) и с визуализирующего эллипсометра (с) демонстрируют области с монослоями графена на подложке из диоксида кремния и кремния. Числа на изображении b соответствуют числу слоев графена. Эллипсометрические карты пси (d) и дельта (e) выделенной прямоугольной области отображают моно и бислои графена с более высоким разрешением. Форма графенового флейка отчетливо видна на пси и дельта-картах. Причем пси карта дает более отчетливый сигнал для области монослоя, а дельта-карта — для бислоя.

[1] Blake  et al. Making graphenevisible (2007) Appl. Phys. Lett. 91

[2] Wurstbauer et al. (2010)  Appl. Phys. Lett. 97