用于測試石墨烯傳導性的裝置和方法
【專利摘要】根據本發明，能夠使用太赫茲波在短的時間內準確地檢測石墨烯的氧化和還原區域，以測量所述石墨烯的傳導性，從而能夠減少測試石墨烯傳導性所需的時間。此外，當在石墨烯中存在氧化區域時，氧化區域能夠通過將電磁波照射到其上而立即被還原，以增加石墨烯傳導性并且由此使恢復石墨所需的時間最少化。
【專利說明】
用于測試石墨烯傳導性的裝置和方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種用于測試石墨烯傳導性的裝置和方法，更具體地說，涉及一種用 于通過檢測石墨烯的氧化或還原區域來測試石墨烯傳導性的裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 石墨烯是以六邊形晶格排列的碳原子的二維結構。盡管石墨烯的厚度較小 (~3.4 1)，但是其具有較高導電率、較高熱導率和較高機械剛度。由于這樣的特性，石墨烯 已經作為用于半導體器件的材料而備受關注，在不久的將來有可能替代硅。石墨烯的高導 電率和高機械剛度使得更容易生產柔性基板。基于這些物理性能，石墨烯已經作為能夠替 代銦錫氧化物(ΙΤ0)的透明電極材料而受到關注。
[0003] 石墨烯氧化物由于其高溶解度而是穩定的。因此，石墨烯以其氧化物形式被儲存 和運輸，并且石墨烯氧化物被還原以用于需要導電石墨烯的場合。但是，石墨烯氧化物沒有 完全被還原。在一些情況下，被還原的石墨烯氧化物再次被氧化。因此，用于石墨烯的檢測 方法被認為是重要的。
[0004] 根據用于檢測大批量生產的大面積石墨烯的常規方法，通過在將電流施加到石墨 烯后觀察溫度分布的變化來確定在石墨烯中存在或者不存在缺陷。大面積的石墨烯在部分 氧化時失去了其傳導性。在這種情況下，電流的施加導致石墨烯的氧化和還原區域之間的 電阻差。不同的電阻值導致在施加電流時的發熱量的差異，因此，缺陷區域(氧化區域)的熱 分布與無缺陷區域(還原區域）的不同。通過使用熱成像攝像機觀察不同的熱分布，能夠確 定石墨稀是否有缺陷。
[0005] 但是，在通過其熱分布監測缺陷區域時，不可能確定缺陷區域的實際位置和尺寸。 沒有對用于測試大批量生產的石墨烯以確定石墨烯中的缺陷區域的位置和尺寸的更精確 的裝置和方法的報告。
[0006] 在這一點上，韓國專利公開第10-2013-0114617號公開了使用紫外光測試石墨烯 基板的方法。然而，該方法需要暗室來使用紫外光，這對使用者而言是不便的，并且通過石 墨烯層的形成差異而不是石墨烯本身的導電率而利用石墨烯的紫外光透射，限制了其精確 性。
【發明內容】
[0007] 本發明要解決的問題
[0008] 因此，本發明的目的在于提供一種用于測試石墨烯傳導性的裝置和方法，其中使 用太赫茲(terahertz)波來測量石墨稀的傳導性。
[0009] 用于解決問題的手段
[0010] 本發明的一個方面提供了一種用于測試石墨烯傳導性的裝置，包括光處理單元、 確定單元和顯示單元，所述光處理單元用于將太赫茲波照射到石墨稀上并且接收被所述石 墨稀反射或者透射穿過所述石墨稀的太赫茲波，所述確定單元用于檢測來自光處理單元的 太赫茲波，以檢測石墨烯的氧化和還原區域，所述顯示單元用于對在確定單元中處理的數 據進行成像。
[0011] 從光處理單元照射的太赫茲波可以垂直地透射穿過石墨烯。
[0012] 用于太赫茲波的光源可以是脈沖或連續類型的并且可以設置有多個，所述太赫茲 波可以具有30μπι到3mm的波長。
[00?3]光處理單元包括適配為固定石墨稀的固定部、布置在石墨稀固定部之上的光發射 器，并且包括適配為照射太赫茲波的光源和布置在石墨烯固定部之下以接收透射穿過所述 石墨稀的太赫茲波的光傳感器。
[0014] 本發明的裝置還包括可以恢復單元，所述恢復單元用于將電磁波照射到在確定單 元中檢測到的石墨烯的氧化區域上，以還原所述氧化區域。
[0015] 所述電磁波可以包括紫外線、可見光和紅外線區域中的所有波長。具體地，所述電 磁波可以具有160nm到2 · 5μπι的波長。
[0016] 本發明的另一方面提供了一種用于測試石墨烯傳導性的方法，包括：
[0017] (a)將石墨稀固定到樣品臺，
[0018] (b)將太赫茲波照射到石墨烯上，
[0019] (c)檢測石墨烯對太赫茲波的透射率，
[0020] (d)分析對所檢測的太赫茲波的透射率以獲得圖像，和
[0021] (e)通過圖像檢測石墨烯的氧化區域。
[0022] 用于太赫茲波的光源可以是脈沖或者連續類型的，并且可以設置有多個。
[0023] 所述太赫茲波可以具有30μπι到3mm的波長。
[0024] 本發明的裝置還可以包括將電磁波照射到在步驟(e)中檢測到的石墨烯的氧化區 域上，以還原所述氧化區域。
[0025] 所述電磁波可以包括紫外線、可見光和紅外線區域中的所有波長。具體地，所述電 磁波可以具有160nm到2 · 5μπι的波長。
[0026] 檢測的目標石墨烯可以是電極器件或者透明電極。
[0027]本發明的效果
[0028] 根據本發明，將太赫茲波照射到大面積的石墨烯上，以檢測石墨的透射率。這允許 快速地測量石墨烯的氧化和還原區域，實現了對石墨烯的導電率的檢測。此外，石墨烯的氧 化區域在檢測后立即被還原。這能夠縮短恢復石墨烯的氧化區域所需的時間，導致整體的 測試時間和成本減小。
【附圖說明】
[0029] 圖1圖示了根據本發明的一個實施例的、用于測試石墨烯傳導性的裝置的構成。
[0030] 圖2是圖示了圖1所示裝置的光處理單元的配置的框圖。
[0031] 圖3是圖示了根據本發明的一個實施例的、用于測試石墨烯傳導性的方法的步驟 的流程圖。
[0032] 圖4示出了（a)作為檢測目標的石墨烯的圖像和(b)根據本發明的方法測試后的石 墨烯的圖像。
[0033]圖5圖解地示出了圖4的(b)中所示的石墨烯的一些區域的反射值。
[0034] 圖6是圖示了圖1所示的光處理單元的配置的部分框圖。
【具體實施方式】
[0035] 下文中，會參照附圖更詳細地描述本發明。對于本領域技術人員而言顯而易見的 是，這些附圖僅以示例性的目的示出，并且本發明的范圍不限于此。
[0036] 圖1圖示了根據本發明的一個實施例的、用于測試石墨烯傳導性的裝置的構成。本 發明的裝置包括光處理單元1〇〇、確定單元200和顯示單元300。本發明的裝置的特征在于使 用太赫茲波來測量石墨烯的傳導性。
[0037]光處理單元100將太赫茲波照射到石墨烯上，接收被石墨烯反射或者透射穿過石 墨烯的太赫茲波，將所接收的太赫茲波轉換成電信號并且輸出所述電信號。
[0038]照射到石墨稀上的太赫茲波為波長為30μηι到3mm、頻率為0.1到ΙΟΤΗζ的電磁波。太 赫茲波具有很強的透射穿過石墨烯的能力，這是因為其波長長于可見光和紅外線的波長。 與其他光波不同，太赫茲波即使在存在外界光的情況下也是可用的。因此，太赫茲波的使用 能夠消除對阻隔外界光步驟的需要。
[0039] 太赫茲波的光源可以是脈沖的或者連續類型的光源。脈沖光源由于其穿過石墨烯 的高透射性而是更優選的。
[0040] 用于太赫茲波的光源被包括在光發射器101中。用于太赫茲波的光源可以設置有 多個。使用多個太赫茲波的光源使得能夠對石墨烯進行二維測試，導致測試石墨烯所需的 時間的顯著減少。
[0041] 圖2是圖示了光處理單元的配置的框圖。如圖2所示，除了光發射器101之外，光處 理單元100還包括光傳感器102和固定部103。
[0042] 光發射器101被布置在固定部103之上。在將石墨烯固定到固定部103之后，光發射 器101將太赫茲波照射到固定的石墨烯上。從光發射器101照射的太赫茲波透射穿過石墨烯 的還原區域，但是被石墨烯的氧化區域吸收或者反射。
[0043] 從光發射器101照射并且入射到石墨烯上的太赫茲波中的一些被石墨烯反射，而 另一些太赫茲波透射穿過石墨烯。光傳感器102接收所反射或透射的太赫茲波，將所反射或 透射的太赫茲波轉換成電信號，并且將所述電信號傳輸給確定單元200。圖6是圖示了光處 理單元的配置的部分框圖。如圖6所示，光傳感器102布置在固定部103之上，以檢測從石墨 烯反射的太赫茲波（圖6的a)。可替代地，光傳感器102布置在固定部103之下，以檢測透射穿 過石墨烯的太赫茲波(圖6的b)。
[0044] 固定部103可以包括室104和樣品臺105。室104可以被構造為使外界環境因素的影 響最小化，以提高檢測準確性。樣品臺105可以位于室104中。室104可以包括分別用以供樣 品臺105進入和離開的入口和出口。但是，室104的構造不限于此。室104是固定部103的一部 分，但是也可以包括光發射器101和光傳感器102。樣品臺105可以位于室104中，以固定石墨 烯。樣品臺105布置在光發射器101和光傳感器102之間并且與光發射器101和光傳感器102 成一條直線。利用該布置，從光發射器101照射的太赫茲波垂直地入射到石墨烯上，并且透 射穿過石墨稀的太赫茲波能夠被光傳感器102垂直地接收到。
[0045] 樣品臺105可以以卷對卷(roll-to-roll)或者傳送帶方式構造，使得能夠容易地 傳遞石墨稀。
[0046]確定單元200從光處理單元100接收輸出信號并且分析石墨稀對太赫茲波的反射 率或透射率，以檢測石墨烯的氧化或還原區域。在生產、儲存或運輸期間，石墨烯可能被部 分氧化。由于其低傳導性，石墨烯氧化物不適合用在透明電極等中并且由此通常被視為是 有缺陷的。由于所照射的太赫茲波透射穿過還原區域，但是被氧化區域吸收或者反射，因此 太赫茲波被石墨烯反射的程度或者穿過石墨烯的透射程度隨著石墨烯的還原和氧化區域 的變化而變化。太赫茲波的反射或透射允許對石墨烯的氧化或還原區域進行檢測，從而實 現了對石墨烯傳導性的測量。
[0047]確定單元300可以包括適配為檢測石墨烯對太赫茲波的透射率的檢測器201和適 配為分析所檢測的透射率的分析器202。確定單元200可以包括存儲器(未示出），該存儲器 適配為存儲在分析器202中處理的數據。
[0048] 顯示單元300在屏幕上顯示在確定單元200中分析的數據。通過顯示單元300能夠 檢測石墨烯的氧化區域的分布。如圖1所示，在顯示單元300中分別以紅色和綠色示出了石 墨烯的氧化和還原區域，使得能夠在不需要進一步處理的情況下識別石墨烯的氧化和還原 區域的分布。
[0049] 圖4(b)為在利用太赫茲波照射石墨烯后之后獲得的石墨烯的圖像。分別以紅色和 黑色或藍色表示石墨烯的還原和氧化區域，使得能夠確定石墨烯是否被氧化或還原以及哪 里被氧化或還原。
[0050] 圖5圖解地示出了隨著時間從位置1、3和12被反射的太赫茲波。照射到石墨烯的還 原區域上的太赫茲波中的大部分被石墨烯反射，這可以被解釋為還原區域的高傳導性。同 時，照射到石墨烯的氧化區域上的太赫茲波中的大部分被一些區域中的石墨烯表面吸收或 透射穿過一些區域中的石墨烯表面，這可以被解釋為還原區域的低傳導性。對從圖4(b)所 示的位置1反射的太赫茲波進行分析，并且結果示出于圖5(a)中。高密度的峰指示太赫茲波 從石墨烯反射，說明位置1是石墨烯的氧化區域。對從圖4(b)所示的位置3反射的太赫茲波 進行分析，并且結果示出于圖5(b)中。低密度的峰指示位置3的區域不同于位置1的區域。 即，位置3為石墨烯的還原區域之間的孔。圖5(b)示出了被作為固定石墨烯的基板的載玻片 反射的太赫茲波。在圖5(c)中出現具有低密度的幾個峰。一個峰對應于被載玻片反射的太 赫茲波，其他峰對應于透射穿過石墨烯的一些太赫茲波的反射。太赫茲波的透射指示石墨 烯的高傳導性。即，位置12為石墨烯的還原區域。總之，能夠根據圖5中的結果檢測石墨烯的 還原和氧化區域。
[0051 ] 本發明的裝置可以包括恢復單元400。無論確定單元200何時檢測石墨烯的氧化區 域，恢復單元400都將電磁波實時地照射到石墨烯的氧化區域上，以還原該氧化區域。即，恢 復單元400用于恢復石墨烯的氧化區域。當與在檢測石墨烯傳導性后的單獨的過程中對所 檢測的石墨烯的氧化區域進行還原相比，該實時還原能夠縮短用于恢復石墨烯的氧化區域 所花費的時間。
[0052] 電磁波包括紫外線、可見光和紅外線區域中的所有波長。具體地，電磁波是波長為 160nm到2.5μπι的白光波，其可以由合適的燈照射，例如氙氣閃光燈和紫外線燈。電磁波可以 具有0.1到100ms的脈沖寬度、0.1到100ms的脈沖間隙以及1到1000的脈沖數。
[0053] 本發明還提供了一種用于測試石墨烯傳導性的方法，包括：
[0054] (a)將石墨稀固定到樣品臺，
[0055] (b)將太赫茲波照射到石墨烯上，
[0056] (c)檢測石墨烯對太赫茲波的透射率，
[0057] (d)分析所檢測太赫茲波的透射率以獲得圖像，和
[0058] (e)通過圖像檢測石墨烯的氧化區域。
[0059] 圖3是圖示了根據本發明的一個實施例的、用于測試石墨烯傳導性的方法的步驟 的流程圖。如圖3所示，在步驟(a)中，將作為檢測目標的石墨烯固定到(或者裝載在)樣品臺 上。樣品臺可以位于室中。
[0060] 在步驟(b)中，將太赫茲波照射到固定的石墨烯上。將太赫茲波垂直地照射到石墨 烯上。太赫茲波可以具有30μπι到3mm的波長。太赫茲波具有高度的直線性并且因此在存在外 界光的情況下也是可用的。
[0061] 在步驟(c)中，對石墨烯反射的太赫茲波的反射率或者石墨烯對太赫茲波的透射 率進行檢測。對在石墨烯的氧化區域中被石墨烯反射或透射穿過石墨烯的太赫茲波的檢測 不同于在石墨烯的還原區域中的檢測。例如，石墨烯氧化物具有對太赫茲波的低透射率，這 是由于太赫茲波沒有透射穿過石墨烯氧化，而是被石墨烯氧化物吸收或者反射。
[0062] 在步驟(d)中，對檢測到的反射率或透射率進行分析和成像。通過繪制所分析的反 射率或透射率來進行成像，以獲得曲線。可替代地，可以將石墨烯的還原和氧化區域投射到 石墨烯上以獲得彩色圖像。如圖1所示，在顯示單元300中分別以紅色和綠色示出了石墨烯 的氧化和還原區域，使得能夠在不需要另外處理的情況下通過圖像對其進行目視檢測。
[0063] 在步驟(e)中，使用在步驟(d)中獲得的圖像來確定石墨烯是否以及哪里被氧化。 圖像中具有低透射率的部分對應于石墨烯的氧化區域并且被期望具有低傳導性，這是由于 石墨烯氧化物具有對太赫茲波的低導電率和低透射率。能夠將步驟(d)中分析的數據與現 有數據進行比較以檢測石墨烯的還原和氧化區域。現有數據例如是指傳導性已知的石墨烯 對太赫茲波的反射率或透射率。在其中根據本發明檢測到的石墨烯對太赫茲波的反射率或 透射率低于現有數據的區域能夠被確定為石墨烯的氧化區域。
[0064] 本發明的方法還可以包括將電磁波照射到石墨烯的檢測到的氧化區域，以還原所 述氧化區域。在該附加步驟中，對石墨烯的氧化區域進行恢復。不需要另外的材料和另外的 處理，例如退火，從而減少恢復時間和檢測成本。電磁波包括紫外線、可見光和紅外線區域 中的所有波長。具體地，電磁波是波長為160nm到2.5μπι的白光波，其可以由合適的燈照射， 例如氙氣閃光燈和紫外線燈。電磁波可以具有0.1到1 〇〇ms的脈沖寬度、0.1到100ms的脈沖 間隙以及1到1000的脈沖數。
[0065]〈附圖標記的說明〉
[0066] 100光處理單元101光發射器102光傳感器
[0067] 103固定部 104室 105樣品臺
[0068] 200確定單元 201檢測器 202分析器
[0069] 300顯示單元
[0070] 400恢復單元
【主權項】
1. 一種用于測試石墨烯傳導性的裝置，包括:光處理單元、確定單元和顯示單元，所述 光處理單元用于將太赫茲波照射到石墨烯上并且接收被所述石墨烯反射或者透射穿過所 述石墨稀的太赫茲波，所述確定單元用于檢測來自所述光處理單元的太赫茲波以檢測所述 石墨烯的氧化和還原區域，并且所述顯示單元用于對在所述確定單元中處理的數據進行成 像。2. 根據權利要求1所示的裝置，其中，所述太赫茲波是從脈沖或連續光源照射出的。3. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述光源設置有多個。4. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述太赫茲波具有30μπι到3mm的波長。5. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述光處理單元包括適配為固定所述石墨烯的固 定部、布置在石墨烯固定部之上的光發射器，并且包括適配為照射太赫茲波的光源和適配 為接收被所述石墨烯反射或者透射穿過所述石墨烯的太赫茲波的光傳感器。6. 根據權利要求1所述的裝置，還包括恢復單元，所述恢復單元用于將電磁波照射到在 所述確定單元中檢測到的石墨烯的氧化區域上，以還原所述氧化區域。7. 根據權利要求6所述的裝置，其中，所述電磁波是脈沖的或者連續的，并且具有160nm 至lj2.5ym的波長。8. 根據權利要求6所述的裝置，其中，所述電磁波是脈沖的，并且具有0.1到10ms的脈沖 寬度、0.1到1 〇〇ms的脈沖間隙以及1到1000的脈沖數。9. 一種用于測試石墨烯傳導性的方法，包括：（a)將石墨烯固定到樣品臺，（b)將太赫茲 波照射到石墨烯上，（c)檢測被所述石墨烯反射或透射穿過所述石墨烯的太赫茲波，（d)分 析并檢測所述太赫茲波以獲得圖像，以及(e)通過所述圖像來檢測石墨烯的氧化區域。10. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述太赫茲波是從脈沖或者連續光源照射出的。11. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述太赫茲波是從一個或更多個光源照射出的。12. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述太赫茲波具有30μπι到3mm的波長。13. 根據權利要求9所述的方法，還包括將電磁波照射到在步驟(e)中檢測到的石墨烯 的氧化區域上，以還原所述氧化區域。14. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述電磁波是脈沖的或者連續的，并且具有 160nm到2·5μπι的波長。15. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述電磁波是脈沖的，并且具有0.1到10ms的脈 沖寬度、〇. 1到1 〇〇ms的脈沖間隙以及1到1000的脈沖數。16. 根據權利要求9所述的方法，其中，所述石墨烯是電極器件或者透明電極。
【文檔編號】G01N21/3581GK106030285SQ201580009904
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月16日
【發明人】金學成, 樸晟見, 金度亨
【申請人】漢陽大學校產學協力團