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石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统
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石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  西班牙Das Nano公司成立于2012年,是一家提供高安全别打印设备,太赫兹无损检测设备以及个人身份安全验证设备的高科技公司。ONYX是其在范围内推出的一款针对石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料大面积太赫兹无损表征的测量设备。ONYX采用先进的脉冲太赫兹时域光谱技术,实现了从科研及到工业的大面积石墨烯及二维材料的无损和高分辨,快速的电学性质测量,为石墨烯和二维材料科研和产业化研究提供了强大的支持。

  与传统四探针测量法相比,ONYX无损测量样品质量空间分布

  与拉曼,AFM,SEM相比,ONYX能够快速表征超大面积样品

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  

背景介绍

  太赫兹辐射( T射线)通常指的是频率在0. 1~10THz、波长在30μm-3mm之间的电磁波,其波段在微波和红外之间,属于远红外和亚毫米波范畴。该频段是宏观经典理论向微观量子理论的过度区,也是电子学向光子学的过渡区。在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的产生方法和探测手段,科学家对于该波段电磁辐射性质的了解和研究非常有限,在相当长的一段时期,很少有人问津。电磁波谱中的这一波段(如下图) ,以至于形成远红外和亚毫米波空白区,也就是太赫兹空白区(THz gap)。

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  太赫兹波段显著的特点是能够穿透大多数介电材料(如塑料、陶瓷、药品、绝缘体、纺织品或木材),这为无损检测(NDT)开辟了一个可能的新。同时,许多材料在太赫兹频率上呈现出可识别的频率指纹特性,使得太赫兹波段能够实现对许多材料的定性和定量研究。太赫兹波的这两个特性结合在一起,使其成为一种全新的材料研究手段。而且其光子能量低,不会引起电离,可以做到真正的无损检测。

  

ONYX工作原理

  ONYX是一套实现石墨烯、半导体薄膜和其他二维材料全面积无损表征的测量系统,能够满足测试面积从科研(mm2)到晶元(cm2)以及工业(m2)的不同要求。与其他大面积样品的测量方法(如四探针法)相比,ONYX能够直观得到样品导电性能的空间分布。与拉曼、扫描电镜和透射电镜等微观方法相比,微米的空间分辨率能够实现对大面积样品的快速表征。

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  ONYX采用先进的脉冲太赫兹时域光谱THz-TDS技术,产生皮秒量的短脉太赫兹冲辐射。穿透性强的太赫兹辐射穿透进样品达到各个界面,均会产生一个小反射波可以被探测器捕获,获得太赫兹脉冲的电场强度的时域波形。对太赫兹时域波形进行傅里叶变换,就可以得到太赫兹脉冲的频谱。分别测量通过试样前后(或直接从试样激发的)太赫兹脉冲波形,并对其频谱进行分析和处理,就可获得被测样品介电常数,吸收吸收以及载流子浓度等物理信息。再利用步进电机完成其扫描成像,得到其二维的电学测量结果。

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  

ONYX主要参数及特点

样品大小: 10x10mm-200x200mm  

全面的电导率和电阻率分析

样品全覆盖测量

分辨率:50μm

完全非接触无损

无需样品制备

载流子迁移率, 散射时间, 浓度分析   

可定制样品测量面积(m2量)

超快测量速度: 12cm2/min

软件功能丰富,界面友好

全自动操作

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

图1  太赫兹光谱范围及信噪比

  

ONYX主要功能

→  直流电导率(σDC

→  载流子迁移率, μdrift

→  直流电阻率, RDC

→  载流子浓度, Ns

→  载流子散射时间,τsc

→  表面均匀性

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  

ONYX应用方向

石墨烯材料:

→  单层/多层石墨烯          

→  石墨烯溶液

→  掺杂石墨烯

→  石墨烯粉末

→  氧化石墨烯

→  SiC外延石墨烯

其他二维材料: 

→  PEDOT

→  Carbon Nanotubes

→  ITO

→  NbC

→  IZO

→  ALD-ZnO

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石墨烯

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光伏薄膜材料

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半导体薄膜

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电子器件

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PEDOT

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钨纳米线

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GaN颗粒

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Ag 纳米线

  

ONYX测试数据

  1. 10x10mm CVD制备的石墨烯在不同分辨率下的电导率结果

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  2.10 x10mm CVD制备的石墨烯不同电学参数测量结果

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  3.利用ONYX测量ALD沉积在硅基底上的TiN电导率测量结果

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

  

应用案例  

■  《石墨烯电学测量方法标准化指导手册》

  近期,欧洲计量创新与研究计划(EMPIR)的项目 “GRACE-石墨烯电学特性测量的新方法”发布了关于石墨烯电学特性测量方法的标准化指导手册。“GRACE-石墨烯电学特性测量新方法”项目是由英国实验室(NPL)主导,与意大利计量研究所、西班牙Das-nano 公司等合作,旨在开发石墨烯电学特性的新型测量方法,以及未来石墨烯电学测量的标准化制定。

石墨烯/二维材料电学性质非接触快速测量系统

图一 石墨烯电学测量方法标准化指导手册(发送邮件至info@qd-china.com获取完整版资料)

  石墨烯由于其特优异的电学特性,在未来有望成为大规模应用于电子工业及能源领域的新材料。但是,目前受限于:1)如何制备大面积高质量石墨烯,且具有均匀和可重复的电气和电子性能;2)无论是作为科研用的实验样品还是在生产线中的批量化生产,对其电学性质的准确且可重复的表征方法目前尚不完善,缺乏正确实施此类测量方法的指导手册及测量标准。针对目前面临的问题和挑战,EMPIR 的“石墨烯电学特性测量新方法”项目对现有测量方法进行了总结和规范指导,更重要的是开发了石墨烯电学特性的快速高通量,非接触测量的新方法,并用现有技术对其进行了验证,取得了很好的一致性。

  西班牙Das-Nano公司参与了“GRACE-石墨烯电学特性测量新方法”项目中基于THz-TDS的全新非接触测量方法的开发及测量标准的制定。基于该技术,Das-Nano推出了一款可以实现大面积(8英寸wafer)石墨烯和其他二维材料的全区域无损非接触快速电学测量系统-ONYX。ONYX采用一体化的反射式太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)弥补了传统接触测量方法(如四探针法- Four-probe Method,范德堡法-Van Der Pauw和电阻层析成像法-Electrical Resistance Tomography)及显微方法(原子力显微镜-AFM, 共聚焦拉曼-Raman,扫描电子显微镜-SEM以及透射电子显微镜-TEM)之间的不足和空白。ONYX可以快速测量从0.5 mm2到~m2的石墨烯及其他二维材料的电学特性,为科研和工业化提供了一种颠覆性的检测手段[1,2]

  更多详细信息请点击:欧洲计量创新与研究计划(EMPIR)发布《石墨烯电学测量方法标准化指导手册》

  

参考文献:

[1] Cultrera, A., Serazio, D., Zurutuza, A. et al. Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography. Sci Rep 9, 10655 (2019).

[2] Melios, C., Huang, N., Callegaro, L. et al. Towards standardisation of contact and contactless electrical measurements of CVD graphene at the macro-, micro- and nano-scale. Sci Rep 10, 3223 (2020).

  

ONYX发表文章

1. P Bogild et al. Mapping the electrical properties of large-area graphene. 2D Mater. 4 (2017) 042003.

2. S Fernández et al. Advanced Graphene-Based Transparent Conductive Electrodes for Photovoltaic Applications. Micromachines 2019, 10, 402.

3. David M. A. Mackenzie et al. Quality assessment of terahertz time-domain spectroscopy transmission and reflection modes for graphene conductivity mapping. OPTICS EXPRESS 9220, Vol. 26, No. 7, 2 Apr 2018. 

4. A Cultrera et al. Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography. Scientific Reports , (2019) 9:10655.

  

ONYX用户单位  

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