利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量系统及其方法

摘要

本发明涉及这样的利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量系统及其方法：使石墨烯样品顺时针旋转的同时进行测量，使得最初测量位置到最终测量位置的旋转角为180°以上，在旋转石墨烯样品期间最少5次测量相同的石墨烯样品，从而分析获得的摩擦力映射图像的明暗差与AFM针尖的行进方向和石墨烯的褶皱方向有关，并获知石墨烯的褶皱方向。为了达到上述目的，本发明包括下列步骤：测量部使用设定为摩擦力模式（Friction Mode）的AFM显微镜测量石墨烯样品；输出部输出摩擦力映射图像，将对比（contrast）范围调整为最小范围以匹配石墨烯样品周边；输出部输出关于横切摩擦力映射图像而获得的特定部分的摩擦力曲线图；利用摩擦力曲线图分析AFM针尖行进方向和石墨烯的褶皱方向的关系；及判断部利用分析出的信息，通过摩擦力映射图像，利用各区域间对比的明暗差，判断石墨烯的褶皱方向。

说明书

技术领域

本发明涉及利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量系统及其方法，尤其涉 及如下的利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量系统及其方法：通过AFM显 微镜的针尖（tip）接触石墨烯的表面而向水平方向施加力时产生的摩擦力的结 果，判断及确定石墨烯的褶皱方向。

背景技术

自2004年利用胶带成功地从石墨分离出由单原子层形成的石墨烯后，积极 展开将石墨烯应用于元件的研究。在这样分离出的石墨烯中，不仅电子移动速 度快，而且导电效果也比铜高100倍以上。此外，还具有由于强度高而即使弯 曲或扭曲也不破碎的性质。由于这样的电气、结构特性，因此被称为能够代替 柔性电子仪器及透明电极的“梦寐以求的新材料”。

虽然石墨烯的优异的性能是由于完美的二维六角对称（hexagonal  symmetry），但实际制造的石墨烯薄膜并不具有完美的六角对称（hexagonal  symmetry），具有各种结构缺陷，从而无法获得理想的特性。即，石墨烯的结 构缺陷破坏了石墨烯的完美的对称性，这导致无法体现上述石墨烯的优异的性 能。

石墨烯与通常保持其状态直到在稳定的结构上生长成元件为止的其他材料 不同，由于为了设置在期望的位置或其他元件的上面而采用剥离法或经过转移 工序，因此导致向石墨烯表面的水平方向施加的复杂的压力在最终沉积后仍残 留。这些压力最终导致石墨烯的结构缺陷，破坏碳原子的完美的六角对称 （hexagonal symmetry），从而妨碍了石墨烯的理想的电学特性。

由于采用现有技术中所使用的诸如光学显微镜、拉曼分光法的测量方法无 法发现这种结构缺陷，因此导致产生问题。

发明内容

技术问题

本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供这样的一种利用 AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量系统及其方法：将石墨烯样品以固定角度分 次进行旋转的同时进行测量，使从最初测量位置到最终测量位置的旋转角最小 为180°以上，分析所获得的摩擦力映射图像的明暗差同所述AFM针尖的行进方 向和所述石墨烯的褶皱方向有关。

本发明的目的还在于提供这样的一种利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测 量系统及其方法：通过当AFM针尖接触石墨烯的表面而向水平方向施加力时产 生的摩擦力的结果，了解石墨烯的褶皱方向。

技术手段

为了解决这些技术问题，本发明包括以下步骤：测量部用设定为摩擦力模 式（Friction Mode）的AFM显微镜测量石墨烯样品；输出部输出摩擦力映射图 像，将对比（contrast）范围调整为最小范围以匹配石墨烯样品周边；所述输出 部输出关于横切所述摩擦力映射图像而成的特定部分的摩擦力曲线图；利用所 述摩擦力曲线图分析所述AFM针尖的行进方向和所述石墨烯的褶皱方向的关 系；以及判断部利用分析的信息，通过所述摩擦力映射图像，利用各区域间对 比的明暗差，判断石墨烯的褶皱方向。

有益效果

如上所述，根据本发明，通过AFM显微镜的针尖（tip）接触石墨烯表面而 向水平方向施加力时产生的摩擦力的结果，掌握石墨烯的褶皱方向，在开发高 质量的石墨烯膜时，能够检测石墨烯样品的结构缺陷。

另外，如果利用具有摩擦力沿着接触部的行进方向发生变化的现象的有褶 皱的石墨烯元件的状态，则还可用作在微型元件的接触部摩擦力以180°的周期 变化的润滑剂。

附图说明

图1为根据本发明的一实施例的利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量系 统的结构图；

图2为根据本发明的一实施例的通过AFM显微镜测量的摩擦力映射图像， 图2a为采用高度测量模式（Topography Mode）测量的图像，图2b为采用摩擦 力模式（Friction Mode）测量的图像；

图3为通过AFM显微镜输出的图像，图3a为根据本发明的一实施例的利 用摩擦力模式（Friction Mode）输出的摩擦力映射图像，图3b为关于横切摩擦 力映射图像而获得的特定部分的摩擦力曲线图；

图4为根据本发明的一实施例的绘制（plotting）石墨烯旋转期间变化的摩 擦力比率而获得的连续曲线图；

图5a为根据本发明的一实施例的石墨烯的褶皱方向和AFM针尖行进方向 间的示意图，图5b为AFM针尖沿着与石墨烯的褶皱方向垂直的方向移动的示 图，图5c为AFM针尖沿着与石墨烯的褶皱方向一致的方向移动的示图；

图6为示出根据本发明的一实施例的石墨烯的褶皱方向和摩擦力的关系的 示意图；

图7为根据本发明的一实施例的利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量方 法的流程图。

具体实施方式

本发明的具体特征及优点可通过基于附图的下列详细说明得以更加明确。 此前需注意：在判断对与本发明相关的公知功能及其结构进行的具体说明不必 要地模糊本发明的主旨的情况下，将省略该具体说明。

以下，参考附图对本发明进行详细说明。

本发明涉及利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量系统及其方法，参考图 1至图7进行如下说明。

图1为根据本发明的一实施例的利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量系 统的结构图。使用通常的AFM显微镜，包括AFM针尖11和石墨烯样品12及 其他装置。

本发明的系统包括：测量部100、输出部200、分析部300、判断部400。

图2为根据本发明的一实施例的通过AFM显微镜测量的摩擦力映射图像， 图2a为采用高度测量模式（Topography Mode）测量的图像，图2b为采用摩擦 力模式（Friction Mode）测量的图像。

测量部100用于测量剥离的石墨烯样品12，测量部由AFM显微镜构成，可 通过设定高度测量模式（Topography Mode）和摩擦力模式（Friction Mode）进 行测量。

高度测量模式（Topography Mode）为在测量石墨烯时能够测量可以了解高 度信息的图像的模式，摩擦力模式（Friction Mode）为测量石墨烯时能够测量可 以了解各石墨烯的摩擦力信息的图像的模式。图2a为采用高度测量模式 （Topography Mode）测量的图像，示出区分基板SiO₂和石墨烯的高度。图2b 为采用摩擦力模式（Friction Mode）测量的图像，将和AFM针尖11的摩擦力的 差异示为图像明暗差。奇异之处在于：除了在性质不同的SiO₂和石墨烯中产生 的摩擦力不同这一现象之外，还能够确认在具有相同性质的石墨烯内存在高度 测量模式中不显示、仅通过摩擦力显示差异的区域。

利用AFM显微镜采用石墨烯的高度测量模式（Topography Mode）和摩擦 力模式（Friction Mode）进行测量的方法是通常的方法，因此不进行详细说明。 但本发明不是单纯测量石墨烯，而是为了判断石墨烯的褶皱方向，测量方法如 下：利用AFM显微镜的摩擦力模式（Friction Mode），旋转石墨烯样品12的同 时进行测量，使得最初测量位置到最终测量位置的旋转角最小为180°以上，除 了石墨烯样品12的旋转之外，在保持诸如行进速度或针尖挤压样品的力等其余 条件的同时进行测量。此时，将所述石墨烯样品12以固定角度最少分5次旋转 并测量（5个旋转角的示例：0°、45°、90°、135°、180°），以最初测量位置为 基准时，直到最终测量位置的旋转角需旋转最小180°以上。对此将在之后进行 说明，针对0°至180°是为了分析关于石墨烯和AFM针尖11之间的摩擦力的周 期性。

图3为通过AFM显微镜输出的图像，图3a为根据本发明的一实施例的利 用摩擦力模式（Friction Mode）输出的摩擦力映射图像，图3b为关于横切摩擦 力映射图像而获得的特定部分的摩擦力曲线图。

输出部200利用所述摩擦力模式（Friction Mode），输出所述石墨烯样品 12的摩擦力映射图像，接收用户的输入信号，输出关于横切所述摩擦力映射图 像而获得的特定部分的摩擦力曲线图。

此时，输出部200将对比（contrast）范围调整为最小范围，以匹配石墨烯 样品12周边，输出表示各区域间的对比明暗差的摩擦力映射图像。当利用通常 的对比（contrast）范围时，仅能了解基板SiO₂和石墨烯之间的差异，这是因为 很难表示石墨烯自身的区域间的明暗差。

图3a为关于石墨烯样品12的摩擦力信息的摩擦力映射图像，如上所述，其 为：通过将石墨烯样品12在0°至180°之间以固定角度最少分5次进行旋转，测 量同一石墨烯样品12的同时输出的图像。

观察输出的图像可知，当为普通的剥离的石墨烯样品12时，能够明确地了 解分为明暗不同的几种区域。为了便于说明，将各区域表示为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，但 这仅为本发明的一个实施例，并不一定具有3个区域，可具有1个以上的区域。 然而，即便测量到多个区域，本发明的分析及判断方法也是相同的。

图3b为关于横切图3a的摩擦力映射图像而获得的特定部分的摩擦力曲线 图，输出部200解读对于图3a的虚线部分的摩擦力信号，将其输出为曲线图。 AFM针尖11为了测量石墨烯样品12向前/后移动，此时将摩擦力差作为Y轴， 该关系可用曲线图表示。观察图3b的曲线图可知，在明暗不同的区域边界，摩 擦力信号仍然以较大差异进行变化。

分析部300利用图3b的摩擦力曲线图，分析AFM针尖11的行进方向和石 墨烯的褶皱方向的关系。

图4为根据本发明的一实施例的绘制（plotting）石墨烯旋转期间变化的摩 擦力比率而获得的连续曲线图。

分析部300首先利用从所述输出部200输出的图3b的摩擦力曲线图，以不 随着旋转变化的基板（SiO₂）的摩擦力信号为基准计算同各区域的摩擦力信号的 比率。通过将X轴作为所述石墨烯的旋转角，将计算出的摩擦力的比率作为Y 轴，在相应的位置分别绘制（plotting），能够计算出非连续的曲线，若适当调 整并连接绘制的点，则能够获得如图4所示的具有180°周期的正弦（sine）形状 的连续曲线。

观察图4的曲线图可知：各区域分别以约180°周期使摩擦力的比率发生变 化。这可分析如下实验：在图2a的AFM摩擦力映射图像中，区域间的明暗差， 即，区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ之间的明暗差的起因并不在石墨烯的六边形 （hexagonal）结构，而在于AFM针尖11的行进方向和所述石墨烯的褶皱方向 的关系。

更具体地，如果起因在石墨烯的六边形（hexagonal）结构，则摩擦力需要 以60°为周期进行变化，但与此不同，由于实验中是以180°的周期进行变化，因 此能够分析为与南北至左右起皱的石墨烯的褶皱方向有关。

本发明利用了如下原理：由于AFM针尖11根据石墨烯的褶皱方向行进时 摩擦力发生变化，因此在AFM的摩擦力模式（Friction Mode）中测量的信号也 根据该褶皱方向各不相同，因此具有相同褶皱方向的区域输出相同的信号，具 有不同褶皱方向的区域边界输出不同的图像。

图5a为根据本发明的一实施例的石墨烯的褶皱方向和AFM针尖11行进方 向间的示意图。观看图5a，将石墨烯样品12的虚线方向定义为石墨烯的褶皱方 向。此时，当AFM针尖11沿着a方向移动时，与石墨烯的褶皱方向垂直地移 动并测量；反之，AFM针尖11沿着b方向移动时，沿着与石墨烯的褶皱方向一 致的方向移动并测量。

图5b示出AFM针尖11沿着与石墨烯的褶皱方向垂直的方向移动的状态， 图5c示出AFM针尖11沿着与石墨烯的褶皱方向一致的方向移动的状态。

观察图5b可知，当AFM针尖11沿着与石墨烯的褶皱方向垂直的方向移动 时，由于石墨烯样品12被AFM针尖11很好地推压，因此AFM针尖11和石墨 烯的接触面积变大，由于接触面积越大其阻力也越大，因此测量的AFM针尖11 和石墨烯之间的摩擦力也变大。

反之，观察图5c可知，当AFM针尖11沿着与石墨烯褶皱方向一致的方向 移动时，石墨烯样品12被推压的现象变小，与石墨烯的接触面积没有大的差异， 因此，相比AFM针尖11沿着与石墨烯褶皱方向垂直的方向移动时阻力相对不 大，因此测量的摩擦力也小。

即，分析部300利用从所述输出部200输出的摩擦力曲线图，分析石墨烯 的区域间（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的明暗差的起因在于AFM针尖11的行进方向和所述 石墨烯的褶皱方向的关系，当AFM针尖11沿着与石墨烯的褶皱方向垂直的方 向移动时，由于石墨烯样品12被AFM针尖11很好地推压，因此测量的AFM 针尖11和石墨烯之间的摩擦力较大；反之，当AFM针尖11沿着与石墨烯褶皱 方向一致的方向移动时，测量的摩擦力较小。利用该特点分析从所述输出部200 输出的摩擦力映射图像。

判断部400利用在所述分析部300中分析的信息，通过所述摩擦力映射图 判断石墨烯的褶皱方向。

在AFM的摩擦力模式（Friction Mode）中测量的信号，利用了如下特点： 在AFM针尖11行进期间受到的阻力越大，即摩擦力的大小越大，呈现的信号 强度也越大。因此，在输出的摩擦力映射图像中，判断最亮的部分为摩擦力最 大的部分，最暗的部分为摩擦力最小的部分。

其余的部分可通过与最暗的部分和最亮的部分的明暗差进行对比，对褶皱 方向进行类推。观察图6可知，如果将箭头方向作为AFM针尖11的行进方向， 则明暗的差异表示为角度，则越亮的部分表示的角度越大，由此判断石墨烯的 褶皱方向。在图6中，由于区域Ⅱ最亮，因此角度应最大，从而判断褶皱方向 为与AFM针尖11的行进方向接近垂直的方向。

即，将最暗的部分看做与AFM针尖11的行进方向一致，最亮的部分与AFM 针尖11的行进方向垂直，在掌握这样的基准后，按照其明暗差对应角度，最终 判断石墨烯的褶皱方向。

图7为根据本发明的一实施例的利用AFM摩擦力映射的石墨烯区域测量方 法的流程图。

步骤S10：测量部100利用AFM显微镜对剥离的石墨烯样品12进行测量， 利用高度测量模式（Topography Mode）和摩擦力模式（Friction Mode）进行测 量。此时，所述测量部100使用AFM显微镜的摩擦力模式（Friction Mode）， 将石墨烯样品12以固定角度最少分5次旋转的同时进行测量，使得从最初测量 位置到最终测量位置的旋转角为180°以上。

步骤S20：在所述步骤S10进行测量时，所述输出部200将对比（contrast） 范围调整为最小范围以匹配石墨烯样品12的周边，从而输出表示各区域间对比 的明暗差的摩擦力映射图像。

步骤S30：在所述步骤S20之后，所述输出部200输出关于横切摩擦力映射 图像而获得的特定部分的摩擦力曲线图。

步骤S40：所述分析部300利用在所述步骤S30中输出的所述摩擦力曲线图， 分析所述AFM针尖11行进方向和所述石墨烯的褶皱方向的关系。

对分析方法已经进行了详细的说明，简要记述该过程：所述分析部300首 先利用从所述输出部200中输出摩擦力的曲线图，以基板（SiO₂）的摩擦力信号 为基准计算与各区域的摩擦力信号的比率。将X轴作为所述石墨烯的旋转角， 将计算出的摩擦力的比率作为Y轴，通过在相应的位置分别绘制（plotting）， 能够计算出非连续的曲线，若将其适当调整并连接绘制的点，则能够获得具有 180°周期的正弦（sine）形状的连续曲线。利用该曲线分析AFM针尖11的行进 方向和所述石墨烯的褶皱方向的关系。

步骤S50：所述判断部400利用在所述步骤S40中分析的信息，通过在所述 步骤S20中输出的所述摩擦力映射图像，利用各区域间对比的明暗差，判断石 墨烯的褶皱方向。

在所述步骤S20中输出的摩擦力映射图像中，判断最暗的部分的石墨烯的 行进方向与AFM针尖11的行进方向一致，最亮的部分的石墨烯的行进方向与 AFM针尖11的行进方向垂直。在掌握了上述基准后，按照该明暗差进行角度对 应，最终判断石墨烯的褶皱方向。

以上，对关于例示本发明的技术思想的优选实施例进行了说明及图示，但 本发明不局限于如上图示并说明的结构及作用。本领域的技术人员应理解：在 不脱离技术思想的范围内可对本发明进行多种变形及修改。因此，所有这些合 适的变形及修改和等同物也应认为属于本发明的范围。