石墨烯薄膜中厚度检测方案(X光电子能谱)

SSL-CA20-368Excellence in Science Excellence in ScienceXPS-024 岛津企业管理(中国)有限公司-分析中心Shimadzu (China) Co.， LTD.-Analytical Applications CenterEmail： sshzyan@shimadzu.com.cn Tel：86(21)34193996http：//www.shimadzu.com.cn 岛津 XPS 技术表征石墨烯薄膜的厚度 XPS-024 摘要：石墨烯在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。本文通过 XPS (X射线光电子能谱)成像对 Si 片上沉积的石墨烯进行了分析，通过选区采谱对石墨烯表面元素含量进行了分析，并对石墨烯薄片厚度进行了推测。 关键词：石墨烯XPS成像 选区采谱 图1用于XPS分析的薄膜厚度图表 PJ Cumpson"等人通过此方法建立了一个测算薄膜厚度的图表，如图1所示。本文通过此方法计算了石墨烯薄膜的厚度，该薄膜沉积在10mm×10mm带有100 nm 厚氧化层的硅晶片上，供读者参考。 图2岛津 AXIS SUPRA型光电子能谱仪 1.2分析条件 激发源：单色Al靶 (Al Ka， 1486.6 eV) X射线电压：15kV 通能：全谱160 eV， 精细谱 40 eV 扫描速度：全谱1eV，精细谱0.1 eV 结果与讨论 首先在样品中心位置采集 XPS全谱，通过软件的 peak-ID功能识别到材料表面含有C、O、Si、Na等元素，C、O、Si来自于石墨烯与带有氧化层的硅片，极少量的Na 可能来自于污染。之后选定元素的结合能，进行XPS成像，XPS成像的结果都减去了背景的噪音。 图 3(a) 是通过 C 1s 获得的整个10mm×10mm 样品的 XPS 图像。该图像是通过625张图像拼接而成的，每张图像视场为400um， 整个图像像素点为4100万像素。o岛津XPS成像具有出色的空间分辨率，可以获得清晰的 XPS图像。图3(b)是通过进样室相机采集的光学图像，可以看见一些较大的石墨烯特征。通过这个清晰完整的 XPS图像，我们可以自由放大缩小，并选定感兴趣的区域进行分析。 图3 (a)石墨烯样品的 XPS 成像；(b)进样室相机采集的石墨烯光学图像 选定相应区域后，通过分析室内的光学相机进行精密对焦。图4(d)是通过分析室相机得到的清晰光学图像。从图中可看出灰色的硅片及沉积的不同衬度的石墨烯。有研究者曾提出根据光学图像辨别硅片上石墨烯厚度的方法12.3]，但仍存在图片对比度失真的问题，图像识别的方法本质上是非定量的。图4(a)、(b)、(c)是通过C1s、01s、Si 2p采集到的高分辨 XPS图像((采集区域为d图的红框区域)，每个图像的采集时间为 1min。可以从 XPS 图像及光学像中看到，深蓝色区域与深灰色区域给出了不同的元素衬度与光学衬度。根据文献3的结果，深蓝色与深灰色区域大约分别存在9和3~4层石墨烯。 图4 (a)C 1s 的 XPS 成像； (b)0 1s 的 XPS 成像； (c)Si 2p 的 XPS 成像；(d)分析室相机采集的光学图像； 在4个石墨烯区域进行了选区采谱，图5是采集到的XPS全谱及相应的位置，分析范围为27 um。可以看出，各元素的强度在不同区域有明显不同。绿点所在区域主要为C元素，此区域石墨烯可能较厚，已经完全掩盖了 Si 层的信号；红点所在区域主要为C元素，有少量 Si、O信号，此区域石墨烯较薄；黄点区域主要为C元素，Si、O信号较红点区域更强，此区域石墨烯更薄；蓝点所在区域是 Si 片的裸露面，但仍存在一些碳信号，这部分碳可能来自于硅片表面的污染。 C 1s 图55在4个石墨烯区域采集的 XPS选区采采，分析范围27 um 每个区域的元素定量结果如表1所示。使用参考文献中描述的量化结果和方程，可以确定每个区域的石墨烯厚度(或层数)，计算过程参考了 NIST 提供的非弹性散射平均自由程4，经过计算，硅片上碳污染的厚度太约为0.6 nm， 黄点所在的区域(深灰色区域)的石墨烯厚度大约为1.5nm， 约4层石墨烯，这与之前的推测一致。 表1在4个石墨烯区域得到的元素定量结果 (at.%) Location Location Location Location blue red yellow green Na 0.8 0.2 0.2 0.3 C 23.3 96.6 60.8 99.0 O 51.9 2.0 24.9 0.5 Si 23.9 1.2 14.0 0.3 结论 通过仪器自带的拼接成像技术得到了10mm×10mm石墨烯样品的完整XPS图像，通过高分辨 XPS 成像及高清相机得到了不同衬度的石墨烯图像，代表不同厚度的石墨烯薄片，通过选区采谱得到了各个区域的定量结果，并对石墨烯厚度进行了推测。 ( <参考文献> ) ( .[1 ] P. Cumpson et al.， DO I ： 10.1002/1096-9918(200006)29：6<403：：AID-SIA884>3.0.CO；2-8. ) ( [2] Yuan-Fu， Chen.， dx.doi.org/10.1021/jp1121596， J. Phys. Chem.C 2011 ， 115，6690-6693. ) ( [3] Z. X. Shen . ， Nano Let.， Vol. 7， No. 9，2007. ) ( [4]A. Jablonski， Physica S cripta 39， 363-366( 1 989). ) 岛津应用云 通过仪器自带的拼接成像技术得到了10mm×10mm石墨烯样品的完整XPS图像，通过高分辨XPS成像及高清相机得到了不同衬度的石墨烯图像，代表不同厚度的石墨烯薄片，通过选区采谱得到了各个区域的定量结果，并对石墨烯厚度进行了推测。