专利名称：利用光学显微镜图片判断石墨烯层数与厚度的方法
技术领域：
本发明涉及确定石墨烯层数与厚度的方法，尤其是提取石墨烯光学显微镜图片的R, G, B三色的刺激值，经过计算、比较来判断石墨烯层数与厚度的方法。
背景技术：
石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。2004年,曼彻斯特大学Andre Geim教授领导的研究小组最先发现了石墨烯并立即引起了科学和工业界的广泛关注，石墨烯的发现者更于2010年获得了诺贝尔物理学奖。由于石墨烯平面内的碳原子结合力很强，很难被破坏，所以它具有很好的结构稳定性、热稳定性、以及化学稳定性。实验表明，石墨烯是现在世界上已知的最为牢固，韧性最好的材料。更为特殊的是，电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，有效质量接近于零，可以被近视认为是以光子的形式存在(速度是光速的1/300)。伴随着石墨烯的发现，一系列奇特的物理现象也相继被发现，如异常的量子霍尔效应、由物理学精细结构常数所决定的石墨烯的吸收率及光导等。正由于这些特殊的性质，石墨烯在多个领域都有极其广泛的应用，如基于其优异的电学性能，可用于制备场效应晶体管等微电子器件；基于其高透光率、极高的导电性、超宽的光吸收范围(远红外到紫外)，可用于太阳能电池、光电探测器、调制器等光电器件等的开发和研究；基于其极高的比表面积(2630m2/g)，以及优秀的热、化学稳定性，可以用于作为储能器件，如锂离子电池，超级电容器等。石墨烯的制备方法有很多种，如通过机械剥离法可以从石墨表面直接剥离出石墨烯，又比如可以通过加热裂解法在碳化硅晶体表面生长出石墨烯，通过化学气象沉积法(CVD)也可以在镍、铜等金属表面生长出单层和多层的石墨烯，另外通过氧化石墨并还原的方法也能得到大规模的石墨烯粉末。在石墨烯的研究与应用过程中，精确地判断石墨烯的厚度及层数(层间距为
O.34nm)是至关重要的。目前有多种方法可以判断石墨烯的厚度，如原子力显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、对比度谱等。原子力显微镜可以较直接的获得石墨烯的厚度，但是其效率较低，且样品与衬底之间的材质不同导致了单层样品的检测结果有误差。透射电子显微镜必须通过石墨烯的折叠区域才能判断其层数，较复杂。拉曼光谱可以通过特定的峰型，如2D峰的宽度，来判断有序堆积的石墨烯的厚度，但是对于层间堆积比较无序的样品，如CVD法生长的多层石墨烯的层数则很难区分。对比度谱利用衬底与样品上反射光的强度差另O，即对比度值来判断石墨烯的厚度，操作较简单，且对于不同方法获得的石墨烯的层数都能判断，但是对比度谱需要光谱仪才能获得，成本较高，在一定程度上局限了该方法的广泛使用。因此，急需一种操作简单、效率高、误差小、对仪器设备要求不高且成本较低的方法来判断石墨烯的厚度及层数。
发明内容
为了解决现有判断石墨烯厚度和层数的方法存在效率低、操作复杂、准确度不高、且成本较高的问题，本发明提供了一种利用光学显微镜图片精确判断石墨烯厚度和层数的方法，它能够克服现有方法的缺陷，具有操作简单、效率高、误差小、对仪器设备要求不高等优点。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是利用光学显微镜拍下石墨烯在衬底上的光学图片，利用软件将图片的R，G，B三色的刺激值提取出来；将石墨烯样品上的刺激值与衬底的刺激值进行比较，得出对比度值C=(刺激值《|-刺激值5SJi)/刺激值;最后将该对比度值与理论计算获得的对比度值Ctl进行比较，可以精确地判断石墨烯的层数及厚度，具体步骤如下
I).获得光学显微镜图片；
2).计算在特定衬底上的理论对比度值；
3 ).利用软件提取光学图片的R，G，B值； 4).计算得到实验对比度值；
5 ).与理论对比度值进行比较，得到石墨烯的厚度和层数。本发明所述石墨烯是通过任何方法制备出的石墨烯材料。所述衬底是任何可用于承载石墨烯的材料。所述软件是任何可提取光学图片R，G，B值的软件。所述对比度值C用G或R或B刺激值计算，这取决于所采用的不同衬底。所述对比度值Ctl为理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，所计算出不同厚度石墨烯在G/R/B刺激值范围内的对比度的平均值。采用以上技术方案后，本发明的有益效果是，利用此方法判断石墨烯厚度和层数，具有操作简单、效率高、成本低、误差小，且可以用于判断不同衬底上不同方法制备的石墨烯的厚度，另外还可以判断其他二维纳米薄膜材料的厚度等优势。下面结合附图对本发明作进一步描述。
图I是理论计算得到的1-4层的石墨烯在285 nm Si02/Si衬底上的对比度谱。图2为实验I中不同层数的石墨烯在285 nm Si02/Si衬底上光学图片。图3为经过matlab转换的R刺激值灰度图片。图4为经过matlab转换的G刺激值灰度图片。图5为经过matlab转换的B刺激值灰度图片。图6为实验I获得的不同层数石墨烯的对比度值与理论对比度值的比较。
具体实施例方式根据附图所示，本发明利用光学显微镜图片判断石墨烯层数与厚度的方法，是利用光学显微镜拍下石墨烯在衬底上的光学图片，然后利用软件将图片的R，G, B三色的刺激值提取出来；将石墨烯样品上的刺激值与衬底的刺激值进行比较，得出对比度值C=(刺激值《I-刺激值/刺激值W* ；最后将该对比度值与理论计算获得的对比度值Ctl进行比较，可以精确地判断石墨烯的层数及厚度，其步骤如下
I.获得光学显微镜图片；
2.计算在特定衬底上的理论对比度值；3.利用软件提取光学图片的R，G，B值；
4.计算得到实验对比度值；
5 .与理论对比度值进行比较，得到石墨烯的厚度和层数。本发明石墨烯是通过任何方法制备出的石墨烯材料。所述衬底是任何可用于承载石墨烯的材料；所述软件是可提取光学图片R，G, B值的软件；所述对比度值C用G或R或B刺激值计算，这取决于所采用的不同衬底；所述对比度值Ctl为理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，所计算出不同厚度石墨烯在G/R/B刺激值范围内的对比度的平均值。本发明利用光学显微镜图片判断石墨烯层数与厚度的方法，具体操作方法及步骤如下
1.利用显微镜拍下在特定衬底上石墨烯的光学图片；
2.理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，并计算出不同厚度石墨烯在G刺激值范围内的对比度的平均值Ctl ；
3.用matlab或其他软件将图片的R，G,B三色的刺激值提取出来；
4.将石墨烯样品上的刺激值与衬底的刺激值进行比较，得出对比度值C=(刺激值#f刺激值《； )/刺激值
5.将该对比度值C与理论计算的对比度值Ctl进行比较，可以精确的判断石墨烯的层数及厚度。实施例I :按如下步骤实施
I.利用显微镜拍下在285nm Si02/Si衬底上机械剥离法获得的石墨烯的光学图片。2 .理论计算获得石墨烯在285nm Si02/Si衬底上的对比度谱,如图I所示,并计算出不同厚度石墨烯在G刺激值波长范围内的对比度的平均值Ctl,分别为O. 080 (I层)，
O.176 (2 层)，O. 212 (3 层)，和 O. 292 (4 层)。3.实验I中不同层数的石墨烯在285 nm Si02/Si衬底上光学图片，如图2所示；用matlab软件将图片的R，G，B三色的刺激值提取出来，如图3、图4、图5所示。4.将石墨烯样品上的G值与衬底的G值进行比较，得出对实验比度值CKGws-G石》i)/G衬底，分别为 O. 081，O. 171, O. 241 和 O. 309。5 .将该对比度值C与理论计算的对比度值Ctl进行比较，可以精确的判断图像中石墨烯的厚度，分别为1-4层。按上述实验步骤获得的1-4层石墨烯的对比度值与理论对比度值如图6所示。实施例2 按如下步骤实施
I.利用显微镜拍下在300nm Si02/Si衬底上CVD法获得的石墨烯的光学图片。2 .理论计算获得石墨烯在300nm Si02/Si衬底上的对比度谱,计算出石墨烯在G刺激值波长范围内的对比度的平均值C。为O. 054 (I层)，O. 105 (2层)，O. 150 (3层)，O. 192(4 层)。3 .用matlab软件将图片的R，G, B三色的刺激值提取出来。4 .将石墨烯样品上的G值与衬底的G值进行比较，得出对比度值C= (Gwil-G5il憐)/G衬底，分别为O. 050,0. 105。5 .将该对比度值C与理论计算的对比度值Ctl进行比较，可以精确的判断图像中石墨烯的厚度为I层和2层。
实施例3:按如下步骤实施
I.利用显微镜拍下在石英(quartz)衬底上机械剥离法获得的石墨烯的光学图片。2.理论计算获得石墨烯在石英衬底上的对比度谱，计算出石墨烯在B刺激值波长范围内的对比度的平均值Ctl为-0.07 (I层)。3.用matlab软件将图片的R，G, B三色的刺激值提取出来。4.将石墨烯样品上的B值与衬底的B值进行比较，得出对比度值C=(Bws-B5ftli)/B 衬底=_0. 070。5.将该对比度值C与理论计算的对比度值Ctl进行比较，可以精确的判断图像中石 墨烯的厚度为I层。
权利要求
1.ー种利用光学显微镜图片判断石墨烯厚度和层数的方法，其特征在于利用光学显微镜拍下石墨烯在衬底上的光学图片，利用软件将图片的R，G，B三色的刺激值提取出来；将石墨烯样品上的刺激值与衬底的刺激值进行比较，得出对比度值C=(刺激值#/!|-刺激值 )/刺激值》* ；最后将该对比度值与理论计算获得的对比度值Ctl进行比较，可以精确地判断石墨烯的层数及厚度，其步骤如下 I).获得光学显微镜图片；2).计算在特定衬底上的理论对比度值；3 ).利用软件提取光学图片的R，G，B值；4).计算得到实验对比度值；5 ).与理论对比度值进行比较，得到石墨烯的厚度和层数。
2.根据权利要求I所述的利用光学显微镜图片判断石墨烯厚度和层数的方法，其特征在于所述衬底是用于承载石墨烯的材料。
3.根据权利要求I所述的利用光学显微镜图片判断石墨烯厚度和层数的方法，其特征在于所述软件是提取光学图片R，G, B值的软件。
4.根据权利要求I所述的利用光学显微镜图片判断石墨烯厚度和层数的方法，其特征在于所述对比度值C用G或R或B刺激值计算，这取决于所采用的不同衬底。
5.根据权利要求I所述的利用光学显微镜图片判断石墨烯厚度和层数的方法，其特征在于所述对比度值Ctl为理论计算获得石墨烯在特定衬底上的对比度谱，所计算出不同厚度石墨烯在G/R/B刺激值范围内的对比度的平均值。
全文摘要
本发明涉及一种利用光学显微镜图片判断石墨烯厚度和层数的方法。它是利用光学显微镜拍下石墨烯在衬底上的光学图片，利用软件将图片的R,G,B三色的刺激值提取出来;将石墨烯样品上的刺激值与衬底的刺激值进行比较，得出对比度值C=(刺激值衬底-刺激值石墨烯)/刺激值衬底;最后将该对比度值与理论计算获得的对比度值C0进行比较，可以精确地判断石墨烯的层数及厚度。此方法具有操作简单、效率高、成本低、误差小，且可以用于判断不同衬底上不同方法制备的石墨烯的厚度，另外还可以判断其他二维纳米薄膜材料的厚度等优势。
文档编号G01N21/00GK102854136SQ20121032793
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者丁荣, 王英英, 倪振华 申请人:泰州巨纳新能源有限公司