研究背景：

自首次成功合成以来，石墨烯优良的物理化学性质逐渐被人们所探索挖掘，引发了二维材料的研究热潮。同时，随着化学气相沉积（CVD）工艺的快速发展，大面积石墨烯的工业应用成为研究热点。由于石墨烯性质的高度层厚依赖性，使得其厚度的准确表征成为科学研究和产业化应用的基础与前提。因此，准确测量完全覆盖在衬底上的大面积连续石墨烯的厚度分布对于器件级的研究与应用至关重要。然而，即使是常用的光学显微对比度法，也难以避免衬底透明层对石墨烯厚度测量的影响，无法保证石墨烯厚度分布的测量准确性。

成果简介：

近日，天津大学精仪学院微纳测试团队的胡春光、王浩和霍树春等提出了一种基于独立参考样品的双光路差分反射(DR)光学测量方法，通过独立参考样品的优化设计，实现了石墨烯衬底透明层的准确测量，保证了全覆盖的连续石墨烯厚度的精确测量。

作者通过理论计算发现，得益于双光路结构中的可设计参考样品，石墨烯衬底透明层的厚度变化被灵敏地反映在DR光谱上，从而可被DR光学方法更为精确的测得。因此，进一步保证了基于多层膜光学模型的DR法对石墨烯厚度的测量精度。作者以SiO₂/Si基底上的大面积CVD少层石墨烯样品为例进行了实验验证。通过DR光谱谱峰分析，精确获得了石墨烯基底的SiO₂层厚度（1nm精度）。然后，依据理论计算优选DR图像数据，解析获得了具有亚单层分辨力的石墨烯厚度显微分布图像，并进行了统计分析。测量结果得到了椭偏仪和原子力显微镜的佐证。

这种基于独立参考样品的差分光学技术具有极强的普适性，适用于原子层厚的全覆盖式薄膜的无损非接触的高精度厚度测量。该工作近期以“Imaging layer thickness of large-area graphene using reference-aided optical differential reflection technique” 为题发表在美国光学学会杂志《Optics Letters》上（2020, 45(15): 4136-4139）。天津大学材料学院沈永涛副教授提供了高质量的石墨烯样品，相关工作得到国家重点研发计划和国家自然基金项目资助。

图文导读：

图一、测量原理示意图

图二、衬底SiO2厚度对DR光学信号的影响。

图三、石墨烯与SiO2的厚度变化对DR光谱信号的影响。

图四、大面积CVD石墨烯层厚的DR光信号测量与厚度分布解析。

图五、不同区域石墨烯层厚的测量与统计。

相关链接：

文章链接：C.G. Hu, H. Wang, Y.T. Shen, S.C. Huo*, W.F. Shen, X.D. Hu, X.T. Hu. Imaging layer thickness of large-area graphene using reference-aided optical differential reflection technique. Opt. Lett., 2020, 45(15): 4136-4139. https://doi.org/10.1364/OL.398196

网址链接：https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-45-15-4136

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