挑戰：高分辨率、快速無損表征石墨烯

二維材料，是指電子僅可在兩個維度的納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。二維材料是伴隨著2004年曼徹斯特大學Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯（graphene）而提出的。

石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的新材料，是世上最薄卻也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收 2.3%的光；導熱系數高達 5300 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上 100倍，常溫下其電子遷移率超過 15000 cm2/V·s，又比納米碳管或矽晶體（monocrystalline silicon）高，而電阻率只約 10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子的移動速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或電晶體。

正由于石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，它在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。

CIC nanoGUNE是一個成立于2009年的西班牙研究中心，其使命是解決納米科學和納米技術的基礎和應用研究，促進該領域高級研究人員的教育和培訓，其中石墨烯是他們研究的重點材料之一。除此以外，Graphenea是nanoGUNE的第一家初創公司，致力于工業石墨烯的制造。

通常，在利用石墨烯等材料之前，最重要是通過各類表征技術測量出材料的各類參數從而對材料性質與質量做出判斷。通常針對于大面積材料，可以利用四探針法得到被測樣品的電導率，操作簡單且檢測快速，但必須接觸樣品，由此可能會使樣品產生損傷。而對于納米尺寸的材料而言，常用的拉曼光譜、AFM和TEM方法可以通過非接觸的方式得到分辨率高達nm級別的圖像，然而這需要樣品制備步驟與較長的掃描時間。

因此，對于nanoGUNE的材料研究而言，他們需要的是一個快速的系統來檢測不同性質的材料，而不會破壞它們并且具有高精度。另一方面，Graphenea希望檢測材料，以進行石墨烯制造過程的質量控制和新先進材料的開發。兩者都在尋找一種解決方案，以高分辨率、非接觸式、非破壞性和快速的方式表征塊狀、薄膜和2D材料（如石墨烯）的電性能（如電導、電阻或載流子遷移率）。

太赫茲技術提供了這樣一個方案。ONYX系統基于太赫茲頻譜技術，發射的太赫茲波與材料相互作用后的時域信號被收集，隨后通過傅里葉變換轉化為頻譜信號后，將此信號與參考信號的頻譜數據進行分析即可得到被測樣品的光學參數，包括電導率、電阻率、電荷載流子遷移率、電荷載流子密度、折射率與基板厚度。這些參數僅需一次測量便可全部得到，無需樣品制備與過長掃描時間，實現了簡易高速的測量。

結果：快速可靠的工具，助力材料研究

太赫茲技術為石墨烯研究提供了一種非破壞性、非接觸式、快速和高分辨率的檢測方法，可繪制塊狀材料、薄膜和 2D材料（如石墨烯）的電學特性圖。作為一種不需要樣品制備的非接觸式、非破壞性方法，同一研究樣品可以用太赫茲時域光譜（THz-TDS）進行多次分析，而無需對其進行修改調整。可獲得整個樣品區域而不是單個點的電特性圖，可以識別缺陷，均勻度等。

在高影響因子同行評審的期刊上發表的幾篇科學文章已經用到了Onyx系統獲得的數據。以下示例是與Graphenea合作發布的。

在文章“Mapping the conductivity of graphene with Electrical Resistance Tomography”【“用電阻斷層掃描繪制石墨烯的電導率”】（Cultrera等人，科學報告，2019，9：10655）中，使用接觸方法（電阻層析成像（ERC）和van der Pauw測量）和非接觸式THz-TDS Onyx測量獲得了大面積石墨烯樣品的電阻測量結果。

上圖比較了使用 ERC和 Onyx（TDS）獲得的10×10 mm2區域的化學氣相沉積（CVD）石墨烯電導率圖。Onyx圖像包含100×100個像素，每個像素對應于一個測量值，并允許以非破壞性和非接觸方式沿石墨烯樣品表面識別異質性，確保測量后樣品的完整性。

在文章“Towards standardisation of contact and contactless electrical measurements of CVD graphene at the macro-, micro- and nano-scale”【“在宏觀，微觀和納米尺度上實現CVD石墨烯接觸式和非接觸式電氣測量的標準化”】（Melios等人，科學報告，2020，10：3223），展示了一種從納米到宏觀尺度測量石墨烯電學性質的綜合方法。

電學表征是通過使用多種技術的組合實現的，包括范德堡幾何中的磁傳輸，使用 Onyx系統的太赫茲時域光譜繪制（上面顯示了兩個電阻率圖）和校準的開爾文探針力顯微鏡。結果顯示出不同技術之間良好的一致性。

此外，在GRACE EMPIR/EURAMET項目中還發布了兩份關于石墨烯電學表征的良好實踐指南：

“Good Practice Guide on the electrical characterization of graphene using non-contact and high-throughput methods”【“使用非接觸式和高通量方法對石墨烯進行電表征的良好實踐指南”】（2020年，由A. Fabricius，A.等人編輯，ISBN：978-88-945324-2-5）。

“Good Practice Guide on the electrical characterisation of graphene using contact methods”【“使用接觸方法對石墨烯進行電表征的良好實踐指南”】（2020年，由A. Fabricius等人編輯，ISBN：978-88-945324-0-1）。

這兩個指南旨在滿足在高度受控的環境條件下進行標準化電氣測量的需求。

審核編輯黃宇