[发明专利]一种带光学原位检测的石墨烯减薄装置

说明书

本发明涉及一种带光学原位检测的石墨烯减薄装置，该装置设有减薄光路单元、激发光路单元、原位检测光路单元、工作台以及计算机等。减薄光路单元发出的第一激光束用于石墨烯的减薄，激发光路单元发出的第二激光束用于激发被加工区域的石墨烯产生拉曼散射。原位检测光路单元收集石墨烯产生的拉曼散射信号，并根据拉曼散射信号2D峰与G峰强度的比值及拉曼峰位置的偏移大小得到被加工区域石墨烯的层数与温度信息。本发明装置可同时对局部不均匀的石墨烯样品进行局部厚度测量与减薄，装置根据实际测得的被加工区域的石墨烯层数，调节激光功率与减薄时间，精确控制石墨烯的减薄层数，从而得到层数均匀、可控的石墨烯薄膜。

技术领域

本发明涉及石墨烯加工设备领域，特别是一种带光学原位检测的石墨烯减薄装置。

背景技术

石墨烯是由碳原子以sp²杂化方式形成蜂窝状结构的平面薄膜，是一种新型的二维材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学性能，是下一代微纳光机电器件的核心材料。石墨烯的制备方法按碳源的形态进行分类，可分为固相法、液相法及气相法，然而在石墨烯器件制备中，以固相法中的机械剥离高定向热解石墨法及气相法中的化学气相沉积法应用最为广泛。这两种方法各有优势，也各自存在一定的不足之处。机械剥离法制备的石墨烯质量高，但尺寸通常只有几微米至几十微米，制备产率低，且厚度不可控。而化学气相沉积法可制备大面积的石墨烯多晶薄膜或毫米级单晶薄膜，产量高，但该方法制备的石墨烯容易存在缺陷，且在大面积范围内容易出现厚度不均匀或不连续的现象。

在石墨烯器件中，石墨烯的层数是决定石墨烯特性的重要参数。石墨烯的电子结构、光学性质与层数密切相关，许多石墨烯光电器件的性能直接由其层数决定。而上述石墨烯制备工艺都存在着石墨烯层数难以精确控制或所制备的石墨烯层数不均匀的问题。因此在石墨烯器件的制备过程中，需要对制备得到的石墨烯进行后续减薄。对石墨烯层数进行精确调控成为了亟待解决的问题。

石墨烯的减薄需要对原子级厚度的石墨烯薄膜进行精密的厚度调控，这给主流的半导体刻蚀工艺带来了极大的挑战。目前，石墨烯减薄方法主要包括以下3种。(1)化学刻蚀法。文献《Science.2011；331(6021):1168》通过溅射金属锌破坏顶层石墨烯的晶格结构，然后使用稀盐酸溶解金属锌与顶层被破坏的石墨烯层，从而实现单原子层精度的石墨烯刻蚀。(2)等离子刻蚀法。专利《CN102931055B》公开了一种使用等离子体刻蚀对任意厚度的石墨烯进行减薄的方法。(3)激光减薄。专利《CN102931055B》公开了一种使用超快激光对石墨烯进行减薄的方法，使用激光将一定层数的石墨烯从样品上剥离，从而实现层数的精确控制。上述的三种方法要么只能对石墨烯样品进行全局减薄，无法满足不均匀样品对局部的不均匀区域进行减薄的需求；要么需要在减薄前对整个石墨烯薄膜的层数进行测定，从而得到样品每个位置的层数信息，进而进行减薄，然而这种先测量后减薄的方法需要将测量厚度时的坐标与减薄坐标严格对准，方可精确定位局部不均匀区域进而实现减薄，实际操作十分困难。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种带光学原位检测，可实时获取石墨烯被减薄位置层数信息，并可根据实时测量得到的层数信息对石墨烯进行减薄的装置，该装置还可实时监控被测点的温度信息，避免减薄过程中因温度过高而破坏石墨烯。

本发明采用如下技术方案：

一种带光学原位检测的石墨烯减薄装置，其特征在于，包括工作台、减薄光路单元、激发光路单元、原位检测光路单元和计算机；该工作台设有真空腔以放置石墨烯；该减薄光路单元设置于工作台上方以向石墨烯发出第一激光束实现减薄；该激发光路单元设置于工作台上方以发出第二激光束，且该第二激光束与第一激光束合束后聚焦于石墨烯表面的被测点；该原位检测光路单元位于工作台下方以收集被测点产生的石墨烯拉曼散射光，进行滤波处理后通过光谱分析得到石墨烯被测点的拉曼光谱信号；该计算机与原位检测光路单元、减薄光路单元相连以根据光谱信号得到石墨烯被测点的层数和温度值，及根据被测点层数调整第一激光束以控制减薄层数。