GB/T 40071-2021.Nanotechnologies- Measurement of the number of layers of graphene-
related two-dimensional (2D) materials- Optical contrast method.
1范围
GB/T 40071规定了光学对比度法(包括反射光谱法和光学图片法)测量石墨烯相关二维材料的层数的仪器设备、样品准备、 测量步骤、测试报告等内容。
GB/T 40071适用于利用机械剥离法或化学气相沉积法(CVD:chemical vapor deposition)制得的晶体质量高、横向尺寸不小于2μm.层数不多于5的石墨烯薄片及石墨烯薄膜的层数测量。其他方法制得的石墨烯薄片及石墨烯薄膜可参照本文件执行。
2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 30544.13纳米科技术语第13部分:石墨烯及相关二维材料
3术语和定义
GB/T 30544.13界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
石墨烯相关二维材料 graphene related 2D material ;GR2M
层数不多于10的碳基二维材料。
注:包括石墨烯、双层石墨烯.少层石墨烯.氧化石墨烯等。
3.2
石墨烯薄片 graphene flake
石墨烯纳米片 graphene nanoplate ; graphene nanoplatelet ;GNP
由石墨烯层构成的纳米片。
注:常见厚度小于3nm.横向尺寸范围约为100nm至100um.
[来源:GB/T 30544.13-2018,3.1.2.11, 有修改]
3.3
石墨烯薄膜 graphenefilm
由石墨烯层构成的纳米薄片。
注1:常见厚度小于3 nm.
注2:与石墨烯薄片(3.2)相比，石墨烯薄膜(3.3)在长度和宽度上有更大的延伸。
本文件规定了光学对比度法（包括反射光谱法和光学图片法）测量石墨烯相关二维材料的层数的仪器设备、样品准备、测量步骤、测试报告等内容。 本文件适用于利用机械剥离法或化学气相沉积法(CVD: chemical vapor deposition)制得的晶体质量高、横向尺寸不小于2 μm、层数不多于5的石墨烯薄片及石墨烯薄膜的层数测量。其他方法制得的石墨烯薄片及石墨烯薄膜可参照本文件执行。

1CS17.180.30
CCSA50
中华人民共和国国家标准
GB/T 40071—2021
纳米技术
石墨烯相关二维材料的
层数测量
光学对比度法
Nanotechnologies-Measurement of the number of layers of graphenerelated two-dimensional (2D) materialsOptical contrast method2021-05-21发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2021-12-01实施
-riKacerKAca-
GB/T 400712021
本文件按照GB/T1.12020%标准化工作导则」第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利：本文件的发布机构不承担识别专利的责任本文件由中国科学院提出
本文件由全国纳米技术标准化技术委员会纳米材料分技术委员会（SA（/1C279/SC1)归口本文件起草单位：泰州巨纳新能源有限公司、东南大学、泰州石墨烯研究检测平台有限公司、中国科学院半导体研究所、哈尔滨工业大学（威海）、冶金上业信息标滩研究院、江南大学、华东师范大学、深圳技术大学
本文件主要起草人：倪振华、梁铮、丁荣、谭平恒、土英英、安旭红、于远方、李倩、南海燕、吴幸、陈丽琼。
-rrKaeerKAca-
GB/T40071—2021
石墨烯相关二维材料(层数不多丁10的碳基二维材料,包括石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、氧化石墨烯等)具有优异的电学、光学、力学、热学等性能，在学术及工业界都引起了人们广泛的兴趣。石墨烯相关二维材料的层数是影响具性能的关键参数。准确测量层数是研究、开发和应用石墨烯相关二维材料的核心问题。光学对比度法作为-种快速、无损和高灵敏度的测量方法，己经被广泛应用于测量石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯等石墨烯相关二维材料的层数在利用光学对比度法测量层数的过程中，测量结果会受到硅(Si)衬底表面二氙化硅(Si),)层的厚度，显微物镜的数值孔径，数据的处理方法等种测试条件的影响，需要对其逊行标准化rrkaeerkAca
纳米技术石墨烯相关二维材料的层数测量光学对比度法
GB/T40071—2021
警示一一使用本文件的人员应该有正规实验室工作的实践经验。本文件并未指出所有可能的安全问题，本文件规定的一些试验过程可能会导致危险情况，使用者有责任采取适当的安全和健康措施，并保证符合国家有关法规规定的条件。1范围
本文件规定「光学对比度法(包括反射光谱法和光学图片法)测量石墨烯相关二维材料的层数的仪器设备、样品准备、测量步骤、测试报告等内容。本文件适用于利用机械剥离法或化学气相沉积法（CVD：chcmicalvapordcposition）制得的晶体质量高、横向尺寸不小于2m、层数不多于5的石墨烯薄片及石墨烯薄膜的层数测量。其他方法制得的石墨烯薄片及石墨烯薄膜可参照本文件执行，2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款，其中，注Ⅱ期的引用文件·仅该日期对应的版本适用丁本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用丁本文件GB/T30544.13纳米科技术语第13部分：石墨烯及相关维材料3术语和定义
GB/T30544.13界定的以及下列术语和定义适用丁本文件。3.1
石墨烯相关二维材料graphene-related2Dmaterial;GR2M层数不多于10的碳苯二维材料
注：包括石墨烯，双层石墨烯、少层右墨烯、氧化石墨烯等。3.2
石墨烯薄片grapheneflakebzxZ.net
石墨烯纳米片graphenenanoplate;graphenenanoplateletGNP由石墨烯层构成的纳米片，
注：常见序度小于3nm，横间尺小范围约为100nm至100)mm[来源：G3/T30541.13—20[8.3.1.2.1[,有修改3.3
石墨烯薄膜graphenefilm
山石墨烯层构成的纳米薄片。
注1：常见厚度小于3nm
注2：与墨烯薄片（3.2)相比，右墨烯薄模（3.3)在长度和宽度上有更大的延仲3.4
层数numher of layers
《二维材料)构成二维材料的层的数目。1
rKaeerkca-
GB/T 40071—2021
光学对比度值opticalcontrastvalue二维材料空白社底区域的反射光强度与衬底上样品所处区域的反射光强度的相对差异，成公式()
I warne
Igielraue
eoulhe-rats
式中：
光学对比度值；
空白衬底区域的反射光强度；
样品所处区域的反射光强度。
注：衬底上的样品通常为纳米片[例如.石墨烯薄片（3.2)或纳米薄片[例如，石墨烯薄膜（3.3）。3.6
G通道对比度值
绿通道对比度值
G channel contrast value
（二维材料）利用光学显微图片中空白衬底区域的（G通道数值与衬底」样品所外区域的（G通道数值的相刘差异来表小的光学对比度值（3.5），见公式（2）C
式中：
Gruinuate
G通道对比度值：
GoutitreGouipte
Ganhestran
光学显微图片中空白衬底区域的行通道数值：光学显微图片中样品所处区域的（通道数值。注1：衬底上的样品通常为右墨烯薄片（3,2)或石墨烯薄模（3.3)。（2)
注2：红通道（尺通道）对应的波长范围约为590nm~720nm.绿通道（G道）对应的波长范围约为520mm~590nm，监通道（B通道）对应的波长范围约为435nm~~520nm。3.7
光学对比度法
opiicalconirastmethod
<二维材料）利用光学对比度值（3.5)判定特定衬底「纳米片、纳米薄片的层数(3.4)的方法。4原理
4.1理论基础
如图1a)所示，（从上至下)由石墨烯薄片或石墨烯薄膜，SiO_层、Si层形成个多层膜结构：由于二维材料白身的光吸收以及多层薄膜下涉效应的影响，Iul和Ir存在差异，利用公式（1)川计算得到衬底与样品之间的光学对比度估（，埋论计觉及实验结果均证明，石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数不同吋，（亦不相同，层数与（存在一一对应关系，因此可利用（判定石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数。
理论上不同人射光波长下均可以使用光学对比度法，当人射光为连续波长的门光时.反射光强度的人小依赖于波长。设波长为入时的反射光度为1（入),则根据公式（3)可得C(a)
式中：
Iharate ()—I sanlr ()
I subs.rat ()
波长为元时的光学对比度值。当波长入取一系列连续值时.（（)也称作光学对比-rKaeerKa-
Iotlbots.e(a)
Iample（）
度谱；
GB/T40071—2021
波长为时，空白衬底区域的反射光强度。当波长入取一系列连续值时，Iute（a)也称作衬底的反射光谱；
波长为入时，样品区域的反射光强度。当波长入取一系列连续值时.Iile（)也称作样品的反射光谱
foelaae
ho2'zc223
for*f12/23+
多层膜入射、反射、透射模型
二氧化硅
-0:1400500600
波长/nm
不同层数石墨烯薄片或石墨烯
薄膜的理论光学对比度谐
图1光学对比度法原理示意图
4.2常用光学对比度法的测量原理4.2.1反射光谱法
图1b)所示即为埋论计算所得的不同层数的石墨烯薄或石墨烯薄膜在300nmSi0,/Si衬底上的光学刘比度谱C（a）其中波长入的范用为400 nm800nm，光学显微图片的B、G、R通道对应的波长范围分别用蓝、绿、红区域进行标识。出图1b)可知：a）不同层数的石墨烯薄片或石墨烯薄膜所对应的光学对比度谱（（>）不同，波长入相同时层数越多则C(a)也越大：
不同层数所对的光学对比度谱C（）在可见光波长范围内（约为435nm~720nm）存在：个峰（极大值）,将该峰值记为C，并将C,刘应的波长值记为入，c）不同层数对应的光学对比度峰值C之间的差兄最人.最适宜用于判定样品的层数。因此，可利用C.测量石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数4.2.2光学图片法
如图1b)所示，当石墨烯薄片或石墨烯薄膜层数为15时，虽然其各白的入，存在一些差异，但均处于光学显微图片的G通道内，因此Iaul（a）、Ixlraue（入，）也可分别用G通道数值Gsl、Gxrate来代，并利用公式(2)得到样品与衬底之问的G通道对比度值C元。G通道对比度值的理论值为光学对比度谱在通道对应波长范围内的积分平均值。由图1b）可知，石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数不同时，亦不相同，层数与C存在一一对应关系，因此也可以用C测量石墨烯薄片或石墨烯薄膜的层数。需要注意的是，在成用光学图片法测量层数前，先基于已知层数的样品建立起G通道对比度侦层数对应关系\表（如表2所示）。建立起该表后，在相同的测试条件下，可用光学图片法快迷、CG
准确地测量层数
5仪器设备
5.1显微光谱仪：用于反射光谱法，含光栅分光光谱仪及光学显微装置.具有反射光谱测量功能。其3
-rKaeerkAca-
GB/T 40071—2021
中，光谱仪扫描范围为400nm~800nm，光谱分辨率优于2nm。测量前，应按相关技术规范对显微光谱仪进行校准，并按相关测试规范进行测试，5.2光学显微镜：用丁光学图片法，配备白光光源（如卤素灯或氛灯），100倍物镜（数值孔径不小丁0.8），观察方式为明场；含数字相机，川成彩色像，其像素优丁10万。6样品准备
6.1本文件使用的衬底应为表面具有300nm工5nm厚的Si0，层的Si衬底（以下称为300nmSi02/Si衬底）
6.2对于机械剥离于300nmSiO：/Si衬底的石墨烯薄片样品，可百接使用，无需进步处理。6.3对丁CVD)制备的石墨烯薄膜样品.需将样品转移至300nmSiO/Si衬底上（具体步骤可参考附录A)
6.4在显微镜下观测样品，测试区域内应无明显杂质。7测量步骤
反射光谱法测量步骤
7.1.1选择测量区域
利用光学显微镜观测样品，确定样品测量区域。该区域需同时包含空白衬底和样品，7.1.2采集反射光谱
7.1.2.1对测量区域进行聚焦以观测到清晰的石墨烯薄片或薄膜边沿。7.1.2.2测量衬底的反射光谱，波长扫描范用为400nm~800nm，调节入射光强或积分时问使得波长为570nm时信号光强度为背景信号（即暗环境下的信号)度的10倍以「。7.1.2.3在相同的观测条件下，依次采集衬底及样品的反射光谱Ihrmate（）和1amg（a）。其中，衬底样品所在区域分别随机选择5个位置进行采集.得到「m（），「。（）其中一【～5。7.1.3获得光学对比度谱
根据公式（3）.由衬底及样品的反射光谱Itzr（）.I(r（a），得到光学对比度谱C（）（a）其巾i=1~5,
7.1.4获得光学对比度谱峰值
对5个光学对比度谱C（）（>)的峰值取算术平均值.见公式（4）.算得到样品的光学对比度谱峰侦C（保留至小数点后2位）：
式中：
C0)()的峰值,其中-[-5。
注意，单测量值与算术平均值的偏差不成大于10%，否则进行重新测量。同时，若C对应的波长值600nm，则不应来用本方法测量层数，7.1.5判定样品层数
根据衣1.山光学对比度谱峰值C，得到样品层数。rKaeerkAca-
C参考范围
0.062C,0.17
0.173G 30.26
0.26-C,0.34
0.34-C0.40
0.40-60.46
7.1.6测试样例
测试样例详见附录13，
光学图片法测量步骤
表1光学对比度谱峰值C—
.典型值
一层数对应关系
7.2.1选取已知层数样品建立\G通道对比度值C—层数对应关系表GB/T 40071—2021
7.2.1.1选最3个已知层数为（H中n=1.2.3，4，5，6）的山机械剩离法制备的样品。样品准备过程参照第6章，对于n=1.2,3,4.5,6.分别重复步骤7.2.1.4~~7.2.1.7，7.2.1.2在100倍物镜下放置块标准户板，聚焦后进行平衡校准，7.2.1.3选择一个无样品覆盖的空白衬底区域，调节数字相机图像处理软件的伽马（gaimma)值，使得图片颜色与显微镜日镜所视颜色基本致（gamma估的不同会导致（道道对比度侦的不同.调节完成后请勿变动）.然后调节亮度使图片灰度值为125~1357.2.1.4按照7.1.1 选择测量区域。7.2.1.5拍摄光学图片的步骤如下：a）
确保待测样品处于观测窗口的中心位置，对测量区域进行聚焦以观测到清晰的石墨烯薄片或薄膜边沿。拍摄1张样品光学显微图片。h）在相同观测、拍摄条件下（包括gamma值、光强，积分时间、聚焦、像素等），在三个不同的无样品覆盖的空衬底区域上·拍摄3张光学显微图片。7.2.1.6
获得G通道对比度值图像的步骤如下：分别提取3张衬底光学显微图片和样品光学显微图片的每个像素点的道道数值，a）
b）对丁衬底，每一个像素点的G通道数值出3张衬底光学显微图片相同位置的G通道数值求均值得到。
针对每一个刘应的像素点.按照公式（2)计算其G通道对比度值，状得G通道对比度值图像，获得已知层数样品的（通道对比度典型值的步骤如下：7.2.1.7
在7.2.1.6)狄得的G通道对比度值图像中，在样品区域随机选取5个位置分别得到5个G通道对比度值求得其算术平均值（单一测量值与平均值的偏差不应人于10%），此值即为该已知层数样品的G通道对比度估，对于3个层数同为n的样品，其G道道对比度估分别记为Cs(n),C) (n).Cs(n) .
b）计算C（n）.C）（n）.C（n)的算术平均值.得到A。“A即为层数为n的样品的G通道刘比度值Cc的典型值（保留至小数点后2位）：注意，单一测量值与算术平均值的偏差不应大于10%，否则重新进行测定。
7.2.1.8利用A1,A2，A6建立\G通道对比度值Cr-rrKaeerKAca-
层数对应关系\表（见表2）。
GB/T 40071—2021
表2G通道对比度值C.
C参考范围
0.5XA1C:A1|0.5X(A2-A1)
A2—C.5X(A2-A1)CaA20.5X(A3-A2)A3-0.5X(A3-A2)≤CA3
A4 0.5X(A4 A3)-CGA4
0.5X(A4 A3)
A5 0,5X(A3 A4)CGA5-0.5X(A6A5)判定未知样品的层数
层数对应关系
C.典型值
确保光学显微镜观测条件拍摄条件与7.2.1中观测条件相同。按照7.2.1.4选择测量区域。
按照7.2.1.5拍摄光学图片，
7.2.2.4按照7.2.1.6获得G通道对比度值图像：7.2.2.5获得未知样品的G通道对比度，层数
在（道道对比度值图像中的待测样品区域内随机选取5个位置分别得到5个（通道对比度侦C8），其中;一1~5。根据下述公式（5)求得其算术平均值Cc（保留至小数点后2位）。单一测量值与算术平均值的偏差不应大丁10%.否则重新逆行测定，....(5 )
查阅表2，根据所处的参考范围得到待测样品的层数，7.2.3测试样例
测试样例详见附录C。
8测试报告
测试报告应包括以下信息：
测试期：
测试编号：
测量者；
样品来源及信息；
测量所用方法；
测试仪器的类型、品牌、型号；如基丁光学图片法进行层数测量，应附上“G通道对比度值Cc测试结果；
必要时.误差分析。
-rrKaeerKa-
层数对应关系”表：
附录A
（资料性）
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样品转移操作样例一一CVI生长铜基石墨烯薄膜样品的转移操作步骤A.1将-滴聚甲基内烯酸甲酯（polymethylmethacrylate.简称PMMA)以3ooor/min的转速旋涂到CVD生长的铜基石墨烯薄膜样品（即GR2M/Cu/GR2M多层膜）表面.形成PMMA/GR2M/Cu/GR2M多层膜结构，其中PMMA为转移支撑层，R2M指单层、双层、或少层石墨烯。A.2用0.5mol/L的过硫酸铵（VH,）,S,O溶液刘样品的Cu基底迹行轻度腐蚀，并用超纯水反复清洗。此过程中.PMMA/GR2M/Cu/GR2M多层膜结构将漂浮在（NII），S.O，溶液表面，底部的Cu/GR2M层将被溶解，而顶部的PMMA/GR2M层则保持未反成状态·从而能清除Cu底部的GR2M，得到PMMA/GR2M/Cu结构，其体腐蚀和清洗步骤为：a）在（NH,),SO。溶液中漂浮3min,然后在超纯水中漂浮5min：b）反复执行步骤a)3~-5次。
A.3用（NII）.SO，溶液完全芮蚀掉Cu层.得到PMMA/CR2M多层膜结构.该步骤的处理时间决于Cu的厚度和（NII）SO，的浓度.例如25um厚的Cu在0.5mol/L的（NII）SO：溶液巾的腐蚀时间约为2 h
A.4：在超纯水中漂浮30min（此步骤可操作多次）。每个超纯水浴应在各白独立的容器中准各。A.5用300nmSiO./Si衬底捞起超纯水衣面漂浮的PMMA/GR2M样品：将H放在80℃的加热板上10min以除去水分，然后放置在：180℃的加热板上15min使PMMA膜松弛，A.6将PMMA/GR2M/300nmSiO./Si浸泡在内酮巾.静置10h使PMMA层溶解，之后将GR2M/300nm SiO,/Si依次放人无水乙醇和超纯水浸泡各10min，取出后用高纯氮气吹十即可得到洁净的GR2M/300nmSi)/Si样品
A.7如上述步骤处理后样品表面不洁净，川适当延长腐蚀或超纯水清洗的时问和次数，或使用50℃的内酮溶解PMMA层：以下步骤川作为参考：a）提高或降低（VII）.SO：溶液的浓度以提高或降低腐蚀速度，低腐蚀速度有利于保持样品在腐蚀过程中的完整性
h）选择其他腐蚀液，如FcCl，溶液等。c）：选择其他有机物作为转移支撑层，如聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，简称PDMS)等：d）利用氧（O,）等离子体处理PMMA/GR2M/Cu/GR2M多层膜结构的背面腐蚀时间为3min~5min.将Cu底部的GR2M腐蚀掉，然后再进行A2和后续步骤：采用此方法可适当减少A.2步骤中(VH),S.0.溶液腐蚀和超纯水清洗的次数，A.8（VI)生长铜基石墨烯薄膜转移后拍摄的光学图片示例见图A,I。7
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石墨烯
CVD生长铜基石墨烯薄膜转移后拍摄的光学图片（衬底为300nmSi0)2/Si)（示例）图A.1
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