由于其卓越的物理特性以及極高的載流子遷移率和機(jī)械柔韌性，石墨烯為電子和光電子學(xué)中實(shí)現(xiàn)各種新型器件開(kāi)辟了道路。對(duì)于這些器件，需要采用自下而上的制造方法，例如化學(xué)氣相沉積（CVD）來(lái)制造晶圓尺寸的單晶。也可以通過(guò)自上而下的方法（例如機(jī)械剝離）獲得相對(duì)高質(zhì)量的原子層。但結(jié)果通常是具有從單層到幾十層的各種混合物。另一方面，使用CVD來(lái)制造毫米級(jí)的單域單層石墨烯，其中通過(guò)控制生長(zhǎng)條件例如銅基板的表面氧化來(lái)顯著降低成核密度。然而，通過(guò)CVD制備的石墨烯樣品被認(rèn)為具有比通過(guò)機(jī)械剝離方法制備的石墨烯樣品更低的質(zhì)量。在生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移過(guò)程中，不可避免地會(huì)在CVD石墨烯片中形成許多缺陷，例如裂紋，皺紋和邊界（DBs）處的缺陷，這嚴(yán)重?fù)p害了其電氣傳輸特性。因此，需要能夠測(cè)量影響大范圍電特性的局部缺陷分布的技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量，存在幾種用于表征覆蓋大面積的石墨烯片的電性能的方法。太赫茲光譜映射可以定量地評(píng)估石墨烯的電遷移率，而無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)備構(gòu)圖，并且可以通過(guò)掃描整個(gè)薄片區(qū)域直接對(duì)這些物理參數(shù)進(jìn)行成像。但是，其低的空間分辨率（低于100微米到不到1毫米）使得難以檢測(cè)石墨烯片上的局部結(jié)構(gòu)。

圖為高放大倍數(shù)的紅外熱成像圖像和詳細(xì)的熱性能分析

紅外熱成像（IRT）是一種大面積樣本的無(wú)損快速熱特征分析方法，具有微米級(jí)的空間分辨率。在偏置設(shè)備中檢測(cè)焦耳熱可以使局部結(jié)構(gòu)成像，而不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)獲得熱擴(kuò)展的影響。此外，由于紅外熱成像圖像的視野范圍廣（通常從亞毫米到亞厘米，因此可以表征大樣本中的局部結(jié)構(gòu)。例如，該方法已被用于檢查諸如集成電路和太陽(yáng)能電池的大規(guī)模半導(dǎo)體器件中的局部結(jié)構(gòu)故障。

圖為領(lǐng)域邊界缺陷的熱可視化

最近，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了微米級(jí)分辨率下厘米級(jí)CNT復(fù)合材料中碳納米管網(wǎng)絡(luò)路徑的紅外熱成像。這些結(jié)果強(qiáng)烈表明，紅外熱成像將成為快速可視化具有大面積的導(dǎo)電材料中局部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)大工具。結(jié)果表明，紅外熱成像成功地將由局部缺陷引起的電阻差異可視化為不均勻的熱輻射。此外，紅外熱成像暴露出各種缺陷的存在，不僅是微米級(jí)的結(jié)構(gòu)（例如裂縫和皺紋），還有原子缺陷（例如大片中的DBs）。將結(jié)合局部電阻測(cè)量以及形態(tài)和光譜特征，討論在石墨烯片上觀察熱輻射和電流模式。目前的結(jié)果表明，就大型石墨烯器件的電均勻性和局部缺陷檢測(cè)而言，紅外熱成像對(duì)于快速和精確的質(zhì)量評(píng)估非常有用。此外，該方法應(yīng)適用于過(guò)渡金屬二鹵化物，例如MoS2和WS2。紅外熱成像觀測(cè)有望在二維材料設(shè)備中獲得新發(fā)現(xiàn)。

參考資料：

H. Nakajima, T. Morimoto, Y. Okigawa, et al. Imaging of local structures affecting electrical transport properties of large graphene sheets by lock-in thermography. Science Advances. 5:eaau3407, 2019.