單層石墨烯只有0.3納米，應(yīng)如何觀察到它的存在?場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡通過(guò)電子束激發(fā)樣品表面，激發(fā)出二次電子或背散射電子，其中二次電子能反映樣品的形貌信息。想要把單層、雙層、多層石墨烯及襯底區(qū)別開，就需要SEM能夠敏感捕捉到來(lái)源于不同區(qū)域的信號(hào)量差異。一直以來(lái)，不乏加速電壓對(duì)石墨烯成像影響的文章。先前就有研究發(fā)現(xiàn)，低加速電壓(<5 kV)下成像可以顯著提升襯底支撐石墨烯的圖像襯度。但是，對(duì)于另外一個(gè)很重要的成像參數(shù)——工作距離的影響，卻很少有人關(guān)注。而且文獻(xiàn)中缺乏統(tǒng)一的理論框架來(lái)自洽地解釋工作距離和加速電壓兩個(gè)因素對(duì)襯度的影響規(guī)律。

　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院的甘陽(yáng)教授和黃麗博士，與河北半導(dǎo)體研究所專用集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的馮志紅博士合作，采用蔡司熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡( Supra 55 Sapphire)，對(duì)多種襯底(SiC、Si、Cu、Au)支撐的石墨烯體系進(jìn)行了大量表征分析，通過(guò)改變工作距離和加速電壓兩個(gè)重要成像參數(shù)，探索了電鏡條件對(duì)圖像襯度的影響規(guī)律。文章發(fā)表在Small期刊雜志上。

　　蔡司掃描電鏡Supra 55 Sapphire鏡筒是基于Gemini電子光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)的，此項(xiàng)技術(shù)已被運(yùn)用超20年之久，其設(shè)計(jì)原理確保了二次電子的高效探測(cè)。其中E-T SE探測(cè)器位于樣品室內(nèi)部，用于接收二次電子信號(hào)。他們發(fā)現(xiàn)E-T SE圖像襯度隨著工作距離增加而顯著提升，即使工作電壓較高，也能夠形成與低加速電壓條件下類似鏡筒內(nèi)InLens探測(cè)器的高圖像襯度，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)納米級(jí)褶皺等細(xì)節(jié)進(jìn)行的高清晰成像。文章題目中借用了費(fèi)曼的名言“There is Plenty of Room at the Bottom”，寓意為工作距離加大后成像效果會(huì)有所提升。他們借助高襯度SEM圖像，再輔以AFM和Raman測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了全襯底范圍內(nèi)的石墨烯層數(shù)的快速、準(zhǔn)確的定量確定。并給出了工作參數(shù)對(duì)探測(cè)器的SE收集效率的影響，解釋了工作距離和加速電壓兩個(gè)因素對(duì)襯度的影響規(guī)律。

　　SiC熱解石墨烯的同一區(qū)域時(shí)，在不同成像參數(shù)下SEM E-T SE圖像襯度的變化。幫助實(shí)現(xiàn)全襯底石墨烯層數(shù)的定量確定。圖(a)和圖(e)圖像的不同在于工作距離的差異，通過(guò)增加工作距離，圖像襯度提高(圖像亮度對(duì)比度自動(dòng)調(diào)節(jié))，細(xì)微的褶皺(箭頭)和窄條襯度差異帶(綠圈)清晰可見。(g)為(a)(c)對(duì)應(yīng)的AFM形貌圖，(h)是沿白線的輪廓圖(注：紅色為去除石墨烯后的輪廓線，以對(duì)比顯示襯底的形貌)，由z的高度變化可以知道對(duì)應(yīng)的石墨烯層數(shù);(i)(j)是基于高襯度圖像和AFM的結(jié)果，參考它們我們能夠準(zhǔn)確推斷如(e)圖中襯底上不同石墨烯區(qū)域的層，襯度由亮到暗，對(duì)應(yīng)的石墨烯層數(shù)越多。

　　系統(tǒng)改變工作距離和加速電壓時(shí)，E-T SE圖像襯度的變化詳情。工作距離不變的情況下，加速電壓越低襯度越好;加速電壓不變的情況下，大工作距離更易實(shí)現(xiàn)優(yōu)異襯度。

　　加速電壓因素對(duì)襯度的影響機(jī)制：統(tǒng)一的理論框架。(a)電子束與樣品作用后產(chǎn)生E-T探測(cè)器能接收到的三種二次電子;(b)探測(cè)器接收到的SE數(shù)量與加速電壓(Vacc)的關(guān)系曲線?？偟腟E數(shù)量隨Vacc降低而增加，而且石墨烯與襯底之間以及不同層數(shù)石墨烯之間SE數(shù)量的差異也變大;(c)表明低Vacc有助于擴(kuò)大石墨烯與襯底以及不同層數(shù)石墨烯之間的SE1+SE2數(shù)量差異(SE3數(shù)量不變);(d)表明低Vacc有助于提升襯度并更好地區(qū)分石墨烯/襯底以及不同層數(shù)的石墨烯。

　　工作距離對(duì)襯度的影響機(jī)制：統(tǒng)一的理論框架。(a)E-T探測(cè)器接收到的SE數(shù)量與工作距離(WD)的關(guān)系曲線。WD增加，一方面會(huì)導(dǎo)致SE1+SE2數(shù)量增加，另一方面也會(huì)致使SE3數(shù)量到達(dá)峰值后快速減少;(b)由于三種SE的產(chǎn)生及收集的不同特點(diǎn)，隨著WD的增加，雖然SE1+SE2數(shù)量會(huì)由于阻擋作用弱化而增加，但是SE3的數(shù)量會(huì)減少。所以增加WD，有助于增大石墨烯與襯底以及不同層數(shù)石墨烯之間的SE1+SE2+SE3數(shù)量差異;(c)增加WD有助于提升襯度并更好地區(qū)分石墨烯/襯底以及不同層數(shù)的石墨烯。

　　以很好的成像襯度分辨厚度差異為0.3納米的不同層數(shù)石墨烯，對(duì)SEM的成像本領(lǐng)提出了很高的要求，蔡司SEM捕捉到了來(lái)自不同層厚的微小信號(hào)差異，分毫畢現(xiàn)地呈現(xiàn)了石墨烯的層數(shù)差異和石墨烯上的褶皺等細(xì)節(jié)，解決了這個(gè)看似困難的工作。并且甘陽(yáng)教授課題組還發(fā)現(xiàn)了工作距離和加速電壓對(duì)圖像襯度的影響規(guī)律，這對(duì)研究其它二維材料和薄膜材料都具有借鑒意義。蔡司期待SEM實(shí)現(xiàn)更多的發(fā)現(xiàn)，突破更多的不可能，助力科學(xué)家的研究工作。