红外热成像影响大型石墨烯片的电传输性能

由于其卓越的物理特性以及极高的载流子迁移率和机械柔韧性，石墨烯为电子和光电子学中实现各种新型器件开辟了道路。对于这些器件，需要采用自下而上的制造方法，例如化学气相沉积（CVD）来制造晶圆尺寸的单晶。也可以通过自上而下的方法（例如机械剥离）获得相对高质量的原子层。但结果通常是具有从单层到几十层的各种混合物。另一方面，使用CVD来制造毫米级的单域单层石墨烯，其中通过控制生长条件例如铜基板的表面氧化来显着降低成核密度。然而，通过CVD制备的石墨烯样品被认为具有比通过机械剥离方法制备的石墨烯样品更低的质量。在生长和转移过程中，不可避免地会在CVD石墨烯片中形成许多缺陷，例如裂纹，皱纹和边界（DBs）处的缺陷，这严重损害了其电气传输特性。因此，需要能够测量影响大范围电特性的局部缺陷分布的技术。

为了实现高分辨率测量，存在几种用于表征覆盖大面积的石墨烯片的电性能的方法。太赫兹光谱映射可以定量地评估石墨烯的电迁移率，而无需进行复杂的设备构图，并且可以通过扫描整个薄片区域直接对这些物理参数进行成像。但是，其低的空间分辨率（低于100微米到不到1毫米）使得难以检测石墨烯片上的局部结构。

图为高放大倍数的红外热成像图像和详细的热性能分析

红外热成像（IRT）是一种大面积样本的无损快速热特征分析方法，具有微米级的空间分辨率。在偏置设备中检测焦耳热可以使局部结构成像，而不会在短时间内获得热扩展的影响。此外，由于红外热成像图像的视野范围广（通常从亚毫米到亚厘米，因此可以表征大样本中的局部结构。例如，该方法已被用于检查诸如集成电路和太阳能电池的大规模半导体器件中的局部结构故障。

图为领域边界缺陷的热可视化

最近，通过实验证明了微米级分辨率下厘米级CNT复合材料中碳纳米管网络路径的红外热成像。这些结果强烈表明，红外热成像将成为快速可视化具有大面积的导电材料中局部结构的强大工具。结果表明，红外热成像成功地将由局部缺陷引起的电阻差异可视化为不均匀的热辐射。此外，红外热成像暴露出各种缺陷的存在，不仅是微米级的结构（例如裂缝和皱纹），还有原子缺陷（例如大片中的DBs）。将结合局部电阻测量以及形态和光谱特征，讨论在石墨烯片上观察热辐射和电流模式。目前的结果表明，就大型石墨烯器件的电均匀性和局部缺陷检测而言，红外热成像对于快速和精确的质量评估非常有用。此外，该方法应适用于过渡金属二卤化物，例如MoS2和WS2。红外热成像观测有望在二维材料设备中获得新发现。

参考资料：

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.