在实际科学研究和应用中，首先要做的就是准确辨别二维材料层数，随着二维材料层数的增加，光谱的峰位、强度、线宽或者线型可能会发生显著改变，或者出现一些新的光学特征。利用这些光谱特征信息随层数的变化规律，可以对二维材料的厚度甚至堆垛方式等进行鉴别，因此快速且准确地判定层数对材料研究和器件制备至关重要。
本文将系统地介绍判定二维材料层数的多种方法及其应用场景。
导读
快速筛选方法（高通量，适于初步判断）
显微观察（肉眼）
光学衬度（定量化）
定量相位成像
精准分析方法（高精度，适于深入研究）
拉曼光谱（Raman）
光致发光光谱（PL）
原子力显微镜（AFM）
非线性光谱（如SHG、THG）
暗场光学显微技术
椭偏（SE）
前沿与辅助技术
机器学习（ML）
快速筛选方法
显微观察（肉眼）
将样品置于普通的光学显微镜下，直接通过肉眼观察，可以通过颜色和亮度的差异来判断大致层数。该方法是基于光学衬度进行快速初筛，但需要经验，主观性强且易疲劳。
单层、双层、三层及四层石墨烯的光学图像，数据来源：Nano Lett., Vol. 7, No. 9, 2007
光学衬度（定量化）
利用相机和图像分析软件，通过建立衬度与厚度的定量关系数据库来提高判断的准确性和普适性，降低对人眼经验的依赖。其原理主要基于反射光或透射光的干涉效应。
不同厚度衬底下的衬度区别，数据来源：APPLIED PHYSICS LETTERS 91, 063124(2007)
定量相位成像
通过光的干涉将厚度信息转化为相位信息，具有非接触、高通量、高精度和无损的优点。
明场、相位、AFM成像对比，数据来源：ACS Photonics 2023, 10, 1084−1092
精准分析方法
拉曼光谱（Raman）
拉曼光谱是判定二维材料层数最强大的技术之一，因为它不仅能判断层数，还能提供晶格振动、应力、掺杂等信息。原理是激光与材料相互作用产生非弹性散射，探测其声子模式。层数的变化会改变材料的对称性和层间耦合，从而导致拉曼特征峰的位置、强度和线形发生系统性变化。通过分析特征峰（如石墨烯的G峰、2D峰的强度比、峰形和子峰数量）来判定层数，还能提供缺陷、掺杂等信息。
不同层数石墨烯对应的拉曼光谱，数据来源：Nano Lett., Vol. 7, No. 9, 2007
514 nm激发下MoS2薄膜的拉曼光谱表征，数据来源：Nanoscale, 2014, 6, 13028-13035
光致发光光谱（PL）
PL光谱是判定半导体型二维材料（如MoS₂, WS₂）层数的利器，对半导体材料的层数极其敏感，尤其是区分单层与多层。原理是层数变化会显著改变二维半导体的能带结构（从间接带隙变为直接带隙），从而导致光致发光强度发生巨大变化。但其强度易受环境、缺陷等因素影响，对石墨烯（零带隙）和h-BN（宽禁带）无效。
514 nm激发下MoS2薄膜的PL光谱表征，数据来源：Nanoscale, 2014, 6, 13028-13035
原子力显微镜（AFM）
可直接测量厚度和观察表面形貌，几乎适用于所有二维材料，精度高，但通量较低。原理是用一个极细的探针在样品表面扫描，通过检测探针与表面的相互作用力来重构表面形貌，通过测量台阶的高度，可以直接得到材料的厚度。不过由于测量时针尖要与样品直接接触，有时会对样品的晶格结构造成损坏。由于针尖与样品和衬底之间的相互作用力不同，还会导致实验偏差的产生。
显微镜（左）和AFM（右）的层数判定对比，数据来源：Adv. Funct. Mater. 2017, 1604468
非线性光谱（如SHG、THG）
目前，非线性光学（NLO）响应被广泛用作表征二维材料的手段，包括层数、晶体取向、晶相、缺陷等。非线性光学是现代光学的重要分支，描述了光与介质在介质内部以非线性方式相互作用的过程。其信号强度与材料的对称性相关，对层数敏感，可用于表征层数、晶体取向等。
单层材料相较于块体材料的巨大非线性极化率可归因于反演对称性破缺，这表明TMDCs材料的SHG效应往往仅出现在奇数层中，而在偶数层中消失。而三次谐波(THG)不需要满足反演对称性破缺的条件，无论材料是否具有中心对称性都能产生，这种现象在二维材料的奇数层和偶数层中均可观测到。
实验测得一些非线性光谱的层数依赖性，数据来源：Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2200357
暗场光学显微技术
利用暗场显微镜光路，可探测入射光与二维材料边缘电偶极子之间的瑞利散射强度，实现对二维材料层数的超高灵敏识别，对比度比传统方法高出数倍甚至上百倍。暗场光学方法还可以连续判别1到上百原子层的二维材料，而传统光学反射法通常仅能判别5层以下。暗场光学方法还对衬底种类和厚度没有特殊要求，甚至可以准确判定在透明衬底上的单层二维材料。
通过明场（光学反射）和暗场图像识别原子层数对比，数据来源：Nano Lett. 2023,23,9170-9177
椭偏（SE）
光谱椭偏仪（SE）是晶圆级二维材料检测的替代技术，由于椭偏仪以光的整体偏振态而非仅强度信息作为信号，相比光学显微镜等纯强度检测方法能提供更好的对比度。椭偏仪的测量结果需与光学模型匹配，以获得样品的光学常数和厚度，从而描述所有变量之间的关系。适用于具有显著吸收带隙的石墨烯和二维材料的模型包括柯西模型、塞尔迈耶模型、Forouhi-Bloomer模型以及Tauc-Lorentz振子模型。
然而，将椭偏仪应用于二维材料并非易事，其极薄的厚度带来了特殊挑战。迄今为止，仅有少数二维材料（如石墨烯、MoS2和六方氮化硼）的厚度得到了可靠确认。
二维材料光谱椭偏测量方案，数据来源：Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2200357
前沿与辅助技术
除上述方法外，还有高光谱成像、近场光学成像等一系列技术可辅助判断二维材料层数，感兴趣的朋友可以去搜索相关文献阅读，这里最后再给大家介绍一种前沿的辅助技术。
机器学习（ML）
近年来，迅速增长的二维材料及其异质结构的数量已超过传统实验和计算方法的承载能力，而机器学习（ML）正成为支持这些传统方法的强大工具，为以更明智的方式开发光学技术潜力带来了新的机遇。光学技术的应用大大促进了材料光学信息的获取，而ML算法则提供了一种快速、高通量且智能的方法来完成后端数据处理和推理。传统光学技术与ML算法的深度整合显著地推动了二维材料在基础研究和实际应用中的进展，并进一步促进了工业制造。
石墨烯及少层石墨烯薄膜层数判定，数据来源：Laser Photonics Rev. 2023, 17, 2200357
咨询电话：17766428931
迈塔光电售前及测试专员（微信同号）
免责声明：
本公众号所有资料均来源于互联网，仅供个人用户学习交流，如有侵权请联系删除。