製作二維材料元件時,拉曼測量可以提供的資訊包誇樣品的經格缺陷程度,
以及樣品厚度。如何知道石墨烯薄膜之後度,我們可以藉由 G band (Raman shift 約為 1600 cm−1)以及 2D band (Raman shift 約為 2750 cm−1)彼此照度大小的比值 2𝐷ℎ/𝐺ℎ知道它的厚度。下圖 28 為前人為石墨烯拉曼光譜[16]。圖中分別展示了 多層石墨烯以及單層石墨烯光譜,藉由此圖的結果,我們可以分辨不同厚度的石 墨烯薄膜,單層石墨烯2𝐷ℎ/𝐺ℎ比值約為 2,雙層石墨烯比值約為 1,隨著厚度增 加,2𝐷ℎ/𝐺ℎ比值也會隨之下降。
圖 26.石墨烯拉曼光譜以及石墨烯層數與拉曼光譜對照表[16]。
圖 29 為 CVD 單層石墨烯/銅箔運用傳統濕式轉印法轉印到氧化矽基板上後,所 得到的拉曼光譜圖,由2𝐷ℎ/𝐺ℎ可以得知此樣品為單層石墨烯,而光譜上的 D band 來自於晶格挫動以及經過轉印過程後,所造成的離子汙染,由圖 29 的 D band 與 G band 照度大小比值,我們可以知道此樣品存在缺陷。
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圖 27 .CVD 單層石墨烯於 300 nm 厚的二氧化矽基板之拉曼光譜。
下圖 30 為 CVD 多層石墨烯還未轉印前的拉曼光譜圖,圖中 D band 峰值扔然相 當明顯,代表 CVD 製程的石墨烯薄膜本身存在著許多天生缺陷。HOPG 天生晶 格與晶格之間呈現 AB 堆疊。
1400 2100 2800
600 800 1000
Insensity (cnt)
Raman shfit (cm-1) 1431.6
1598.8
2789.9
圖 28.CVD 多層石墨烯於銅箔之拉曼光譜。
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接下來要呈現在乾式轉印法下,樣品不會因為經過壓印的過程而產生質變,
下圖為多層石墨烯在 PDMS 印章下的影像。紅色圓圈表示為拉曼光譜所掃描的 區域,在光譜圖中除了 2D band 與 G band 之外在拉曼位移 2435 cm−1的光譜來自 於 PDMS,在此光譜中,除了可以知道此石墨烯薄膜為多層石墨烯以外,我們可 以看到 D band 沒有出現,由此可知,相較於 CVD 石墨烯,HOPG 有著更好的 晶格結構。
圖 29 多層石墨烯於 PDMS 印章上的拉曼光譜。
圖 32 展示經過轉印後,被轉印製晶片上的石墨烯元件,紅圈表示拉曼掃過 的區域,其晶片基板為 300 nm 之二氧化矽基板,由於二氧化矽基板非長平整,
所得到的拉曼光譜也比在 PDMS 上所得到的清晰許多,同時也可以更清楚地確 認,D band 沒有出現,可以知道此樣品為完美 AB 堆疊,2𝐷ℎ/𝐺ℎ比例約為 0.5,
表示此樣品為多層石墨烯。
圖 30.多層石墨烯由 PDMS 印章轉印置 532 nm 二氧化矽基板的拉曼光譜。
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接著我們討論鉍化硒薄膜之拉曼光譜儀,鉍化硒化學式被表示為Bi2Se3是拓 樸絕緣體的一種,何謂拓樸絕緣體?拓樸絕緣體在塊材(bulk state)時為一絕緣體,
而在塊材表面其費米能量高於狄拉克點(Dirac point),使其導電度如同金屬。
至於是如何使得材料為絕緣體而同時表面為導體,可以從量子霍爾效應開始說明,
在高磁場與低溫中,電子受到磁場影響在原地打轉,使得電子無法導通,形成絕 緣體,其示意圖可以由圖 33 表示。
圖 31.(a)傳統絕緣體載子運動型態與其(b)能帶結構,(d)量子霍爾效應載子運動模式以及其(e)
能帶結構[17]。
而拓樸絕緣體則是運用自身的能帶結構與電子自旋耦合就可以實現類似量子霍 爾效應的電子狀態,而這種電子結構也導致樣品表面因到達邊界,而產生了類似 傳導的效果,如圖 34 所示。
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圖 32.傳統絕緣體以及在量子霍爾態的介面示意,同時也展示了拓樸絕緣體仔仔的傳導方式
[17]。
圖 35(a)為應用乾式轉印法轉印完成的 Bi2Se3薄膜與其拉曼光譜圖,其特徵 拉曼光譜峰值為 71.5、130.9、173.3 cm−1,本文雷射波長為 532 nm,符合前人 的結果,其 520.6 cm−1之峰值來自於矽晶的貢獻。下圖 35 (b)為一Bi2Se3薄膜元 件拉曼光譜圖其峰值出現在 71.5、130.9、173.3 cm−1,對照前人的結果[18]圖 36(b)可以大致推斷為 10 層堆疊的Bi2Se3薄膜。
圖 33.Bi2Se3拉曼光譜圖。
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圖 34.(a)Bi2Se3拉曼光譜圖以及(b)層數對應拉曼峰值對照表[18]。
圖 37(a)與(b)分別為經過轉印之後的 MoS2薄膜,以及其拉曼光譜圖的疊加(c),
經過疊加圖的判斷與前人的結果如圖 38[19],可以判斷樣品(b)的厚度低於樣品(a),
藉由樣品透光程度以及所得的拉曼光譜資料,我們可以建立一套辨識樣品厚度的 系統如圖 39,供後人所需。
圖 35.(a)&(b)經過轉印後的MoS2薄膜(c)為個別的拉曼光譜圖,(a)&(b)光譜圖分別為藍色以及紅
色,由前人的結果[19]可以判定(b)薄膜層數低於(a)薄膜。
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圖 36.MoS2薄膜層數與拉曼光譜對照圖[19]。
圖 37.對於圖 37(b) MoS2薄膜電性量測,在正偏壓下電流趨近於零,可以判斷因為高電阻而導致
樣品出現了電容效應,使得電荷堆疊於樣品中,使得通過意樣品的電流趨近為零。
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