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美国博士生奇思妙想,用光学显微镜成功检测石墨烯厚度引爆科学界


来源:材料科技在线

[导读]  一个来自美国威廉玛丽学院的博士毕业生在检测石墨烯时灵感大发,用最常见的光学显微镜设备和图片处理软件创新出一种巧妙的检测技术,得到导师的高度评价,正在广泛推广。

一个来自美国威廉玛丽学院的博士毕业生在检测石墨烯时灵感大发,用最常见的光学显微镜设备和图片处理软件创新出一种巧妙的检测技术,得到导师的高度评价,正在广泛推广。他们的技术相比现有石墨烯检测技术,设备简单,成本降低到十分之一,检测速度也快上十倍,它的出现使消费品级石墨烯产品大规模生产向前迈进一大步。

这项工作由博士毕业生Will Dickinson和他的导师Hannes Schniepp一起完成,他们的实验室拥有一些世界上最精密的实验设备,但是石墨烯的尺度太小了,较大一片直径才堪堪几微米。他们平时是用原子力显微镜(AFM)进行材料分析,但原子力显微镜的工作速度缓慢而且成本昂贵,Dickinson在课题中需要检测大量石墨烯片,这种方法非常拖后腿。

博士毕业生Will Dickinson和Hannes Schniepp教授在实验室中制出的石墨烯样品。(图片来源:Joseph McClain)

所以Will Dickinson和他们学校阿迪纳艾伦学院的杰出副教授Hannes Schniepp一起想出了一种新方法,抛弃原子力显微镜,转而用最简易的设备搭配巧妙的技术,实现快速且经济地检查石墨烯片。他们的成果发表在《Nanoscale》期刊上,论文标题为《High-throughput optical thickness and size characterization of 2-D materials》(用高通量光学法对二维材料的厚度和尺寸进行表征)

石墨烯作为未来材料具有无限潜力,它是地球上最强的材料,硬度也属第一第二,何况它还具有极好的导电性。但不管怎么说,它还是像钻石一样,是碳的同素异形体。

科学家们一直试图制备出单层的石墨烯薄片来制造飞机机身或半导体,但将这些如此小的纳米级石墨烯薄片组装起来也面临着很多挑战。因为从这些微小的薄片到最后构成宏观成品的过程中,需要消耗的石墨烯薄片量是非常可观的,所以我们首先应该想出一种较好的技术来制备他们。

Schniepp教授的课题组也一直在这个方向上不断开展工作,他们用强大的超声波浴对原材料进行分散,然后将其沉积在基底上来制作石墨烯。目前已经可控生产出单层的或更多层的石墨烯片。

事实上,石墨烯已开始进入消费品领域,Dickinson博士就有一对带石墨烯膜的耳机,Schniepp教授也说大型产品如网球拍框架距离市场大约五年时间。大规模生产石墨烯的最重要的是质量控制,这也是Schniepp教授和Dickinson博士的成果最有意义的地方。

Schniepp教授说:“石墨烯的层数很重要,不同层数的石墨烯特性完全不同,所以我们要检测薄片的厚度。平常我们都是用高通量的方式检测,这项工作电子显微镜就可以完成,但任何接近工业规模的石墨烯生产都需要相对快速的分析过程,所以处于这种思考,我们不能用数百万美元的仪器。”

于是他们决定尝试使用一些质量很好的光学显微镜, “你几乎可以在每个研究实验室,甚至是教学实验室里找到它。” Schniepp说。

但实际上,光学显微镜在纳米技术应用中使用最少,因为达不到那么高的分辨率。石墨片它非常薄,几乎没有光学对比度,光线可以完全透过它们,因此如果我们只是通过显微镜观察它们的话几乎没法观察。

之后,Dickinson也对试图用原子力显微镜观察大石墨片的想法感到沮丧,因为原子力显微镜最多与100微米左右的物体一起工作,但他的样品比这个最大值还要大上几倍。

“所以我想,既然不能使用原子力显微镜,也许我可以用光学显微镜观察它们,并从中得到一些东西,” Dickinson说,“我需要一些新想法。”

他在光学镜头下面放了一些石墨烯片,看到了大量工程师和科学家之前看到的情况,可以分辨出不同的层,但图像不够好。Dickinson开始琢磨这个过程,并逐步完善它。例如,他制作了石墨烯所在的裸基板的图像,并用它来减去图案背底。

通过这种方法,Dickinson得到了更好的图片。于是他开始将图像肢解成很多直方图拼接在一起的模样,就像照片编辑器在Photoshop中修正照片一样。这让他更接近理想的结果,但还不够接近。

后来Dickinson开始思考用原子力显微镜的自带软件的图像处理功能。他想,如果他从光学显微镜下拍摄石墨烯图像,并通过AFM图片处理功能修正,会发生什么?他认为这值得一试。于是他将这个光学图像导出到一个文本文件中,并将其导入AFM软件中使用这些技术。突然间,他清晰地看到很多层石墨烯。

他努力地改进这项技术,但仍然不敢确定自己的成就,直到他和Schniepp教授在一次会议上向康涅狄格大学合作者Douglas Adamson证明了这一过程。“当我们把它展示给Adamson教授时,他说 ‘这非常酷,以前没有人做过这件事,这是一件极其有用的事情!’。”Dickinson回忆说。

在这次会议上获得意外的认可,让他们非常高兴。他们课题内容相关的海报也吸引了一群激动人心的工程师和科学家,Dickinson博士开心地说,当时他们快被人群淹没了,成了全场的焦点。

也难怪他们的海报引起了如此多的关注。Schniepp教授估计,他们的技术比现在使用的石墨烯检测技术便宜10倍,检测速度至少比加快了100倍。这是石墨烯大规模生产迈出的一大。

Schniepp教授认为大部分的功劳都应该归Dickinson博士所有,“其中大部分的工作都是Will做完的,我认为如果没有他,这篇论文就不存在了,” Schniepp说,“这件事的完成不是我有想法然后劝他这样做,他才是那个看到这种方法有巨大潜力的人,他用他极度的耐心和毅力,以完美的技术完成这项工作,这一切都归功于他。”

(中国粉体网编辑整理/平安)

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