一种光学散射判别低维材料关键尺寸的方法及系统

本发明涉及低维材料测量表征，尤其涉及一种光学散射判别低维材料关键尺寸的方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、低维材料是指材料在一个或多个维度上处于纳米尺度或数个甚至1个原子的材料。低维材料在n(n＝1,2,3)个维度上存在明显的量子限域效应。其中，n＝1时为二维材料，典型的代表有石墨烯；n＝2时为一维材料，典型的代表有碳纳米管，银纳米线等；特别的，n＝3时材料在各个维度均展现出量子限域效应，称为零维材料，典型的代表有量子点。

3、与体材料(三维材料)相比，低维材料在一些方面具有更为优异的性能。然而，由于低维材料仅有纳米级甚至原子级的尺寸，对于其关键尺寸的准确表征仍存在挑战。

4、对于二维材料，其关键尺寸为其原子层数(或者厚度)；对于一维材料，其关键尺寸为其横截面的直径；对于零维材料(一般为准球体)，其关键尺寸为准球体的直径。现有技术中，对于低维材料关键尺寸的检测方法主要有：光学反射对比度法、拉曼光谱法、原子力显微镜法、扫描透射电子显微镜法、扫描电子显微镜法和动态光散射法等。

5、但是，现有技术公开的这些低维材料关键尺寸的检测方法仍然存在多种不利因素，比如：光学反射对比度法存在测量精度低、在被观测样品与衬底折射率相近时对比度低、应用于透明衬底时对比度低、以及对比度与关键尺寸之间无线性关系等问题，且难以用于观察零维或一维材料。拉曼光谱法存在激光光源及相关光路搭建昂贵、难以表征较厚样品、进行面扫描时耗时较长等问题。原子力显微镜方法存在测试时间较长、设备较昂贵、以及易受衬底及环境影响等问题。扫描电子显微镜存在电子轰击可能导致样品形貌改变以及可能会对样品产生不可逆的污染等问题。扫描透射显微镜存在设备极其昂贵、测量需复杂制样操作、以及测量会对样品产生不可逆破坏等问题。动态光散射仅能表征溶液中粒径的统计结果，无法用于衬底上零维材料粒子直径(特别是单个粒子直径)的检测。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种光学散射判别低维材料关键尺寸的方法及系统，通过控制光源的入射角度，利用光学散射强度判别低维材料的关键尺寸，适用于对衬底上低维材料关键尺寸的测量，具有对比度高、成本低、耗时低、可调节、无损伤以及通用性高等优势。

2、在一些实施方式中，采用如下技术方案：

3、一种光学散射判别低维材料关键尺寸的方法，包括：

4、控制光源以设定角度倾斜入射到所观测的低维材料及衬底上，所述设定角度能够使得位于低维材料之上的光线接收设备仅能够接收到低维材料散射的光线；

5、将接收到的散射光线转换为光学图像；

6、获取光学图像中每个像素的亮度值，建立位置和亮度的对应关系；

7、将低维材料的亮度与衬底亮度的差值作为对比度，其中，低维材料的亮度为低维材料区域亮度最大值；衬底亮度为低维材料以外区域的亮度平均值；

8、基于位置和亮度的对应关系计算对比度，基于预先标定的对比度与低维材料关键尺寸的对应关系，确定低维材料的关键尺寸。

9、其中，所述低维材料为二维材料时，二维材料的关键尺寸为厚度或原子层数；则对比度与二维材料关键尺寸的对应关系为：

10、

11、其中，m2d为对比度，l2d为与二维材料种类有关的参量，与二维材料本身的性质相关，d2为二维材料关键尺寸，k2为二维材料的对比度-关键尺寸拟合系数，其数值范围为(1-0.5，1+0.5)。

12、所述低维材料为一维材料时，一维材料的关键尺寸为横截面的直径；则对比度与一维材料关键尺寸的对应关系为：

13、

14、其中，m1d为对比度，l1d为与一维材料种类有关的参量，与一维材料本身的性质相关，d1为一维材料关键尺寸，k1为一维材料的对比度-关键尺寸拟合系数，其数值范围为(2-0.5，2+0.5)；s1d为修正参数。

15、所述低维材料为零维材料时，零维材料的关键尺寸为材料个体的直径；则对比度与零维材料关键尺寸的对应关系为：

16、

17、其中，m0d为对比度，l0d与零维材料种类有关的参量，与零维材料本身的性质相关，d0为零维材料关键尺寸，k0为零维材料的对比度-关键尺寸拟合系数，其数值范围为(6-3，6+3)；s0d为修正参数。

18、一种光学散射判别低维材料关键尺寸的系统，包括：

19、图像获取模块，用于控制光源以设定角度倾斜入射到所观测的低维材料及衬底上，所述设定角度能够使得位于低维材料之上的光线接收设备仅能够接收到低维材料散射的光线；将接收到的散射光线转换为光学图像；

20、位置-亮度关系构建模块，用于获取光学图像中每个像素的亮度值，建立位置和亮度的对应关系；

21、对比度计算模块，用于将低维材料的亮度与衬底亮度的差值作为对比度，其中，低维材料的亮度为低维材料区域亮度最大值；衬底亮度为低维材料以外区域的亮度平均值；

22、关键尺寸计算模块，用于基于位置和亮度的对应关系计算对比度，基于预先标定的对比度与低维材料关键尺寸的对应关系，确定低维材料的关键尺寸。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、(1)本发明提出了利用散射光线形成的图像计算低维材料和衬底的对比度，同时建立对比度与低维材料关键尺寸之间的关系，从而利用对比度求解低维材料的关键尺寸；相比于传统的利用光学反射检测低维材料关键尺寸的方法，低维材料与衬底的对比度可达到传统光学反射法的10倍以上，对比效果明显，受衬底影响较小，可以实现对衬底上低维材料关键尺寸的准确测量。

25、(2)本发明分别建立了零维、一维和二维材料在散射图像中的对比度与其关键尺寸的对应关系，能够实现对低维材料关键尺寸的准确、定量测量，对于很多普通光学方法无法分辨的单粒子的关键尺寸，采用本发明方法也同样能准确得到，测量精度较高。

26、(3)本发明在表征成本上远低于现有常用表征手段。现有常用表征手段包括原子力显微镜，拉曼光谱，扫描电子显微镜，扫描电子透射显微镜，动态光散射法等。本方法的设备成本可以控制在10000美元。原子力显微镜的价格在几万至几十万美元。且原子力显微镜的探针为耗材，单根价格在0.01万美元以上。每年的综合使用维护费用需1万美元以上。拉曼光谱仪的价格在数十万美元或以上。扫描电子显微镜，扫描电子透射显微镜的价格在数十至数百万美元或以上，每年所需维护费用在数万美元及以上。因此，本发明在设备成本及维护成本上具有显著的优势。

27、(4)本发明在表征速度上远快于部分现有常用表征手段。部分现有常用表征手段包括原子力显微镜，拉曼光谱，扫描电子显微镜，扫描电子透射显微镜，动态光散射法等。本发明方法的单个样品的表征及分析时间仅为数分钟。原子力显微镜的表征时间约为半小时。拉曼光谱仪需要约半小时左右的时间进行激光器预热及衬底校准。面扫描模式需要至少1个小时的时间。扫描电子显微镜耗时约1个小时。扫描电子透射显微镜系统的观测需要耗时1个小时以上。且在使用聚焦离子束设备制作样品时也需使用约1个小时。因此，本发明在时间成本上同样具有显著的优势。

28、本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。