一個(gè)來自美國威廉瑪麗學(xué)院的博士畢業(yè)生在檢測石墨烯時(shí)靈感大發(fā)，用最常見的光學(xué)顯微鏡設(shè)備和圖片處理軟件創(chuàng)新出一種巧妙的檢測技術(shù)，得到導(dǎo)師的高度評價(jià)，正在廣泛推廣。他們的技術(shù)相比現(xiàn)有石墨烯檢測技術(shù)，設(shè)備簡單，成本降低到十分之一，檢測速度也快上十倍，它的出現(xiàn)使消費(fèi)品級(jí)石墨烯產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)向前邁進(jìn)一大步。

    這項(xiàng)工作由博士畢業(yè)生Will Dickinson和他的導(dǎo)師Hannes Schniepp一起完成，他們的實(shí)驗(yàn)室擁有一些世界上最精密的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，但是石墨烯的尺度太小了，較大一片直徑才堪堪幾微米。他們平時(shí)是用原子力顯微鏡（AFM）進(jìn)行材料分析，但原子力顯微鏡的工作速度緩慢而且成本昂貴，Dickinson在課題中需要檢測大量石墨烯片，這種方法非常拖后腿。

博士畢業(yè)生Will Dickinson和Hannes Schniepp教授在實(shí)驗(yàn)室中制出的石墨烯樣品。（來源：Joseph McClain）

    所以Will Dickinson和他們學(xué)校阿迪納艾倫學(xué)院的杰出副教授Hannes Schniepp一起想出了一種新方法，拋棄原子力顯微鏡，轉(zhuǎn)而用最簡易的設(shè)備搭配巧妙的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速且經(jīng)濟(jì)地檢查石墨烯片。他們的成果發(fā)表在《Nanoscale》期刊上，論文標(biāo)題為《High-throughput optical thickness and size characterization of 2-D materials》（用高通量光學(xué)法對二維材料的厚度和尺寸進(jìn)行表征）石墨烯作為未來材料具有無限潛力，它是地球上最強(qiáng)的材料，硬度也屬第一第二，何況它還具有極好的導(dǎo)電性。但不管怎么說，它還是像鉆石一樣，是碳的同素異形體。

    科學(xué)家們一直試圖制備出單層的石墨烯薄片來制造飛機(jī)機(jī)身或半導(dǎo)體，但將這些如此小的納米級(jí)石墨烯薄片組裝起來也面臨著很多挑戰(zhàn)。因?yàn)閺倪@些微小的薄片到最后構(gòu)成宏觀成品的過程中，需要消耗的石墨烯薄片量是非常可觀的，所以我們首先應(yīng)該想出一種較好的技術(shù)來制備他們。

    Schniepp教授的課題組也一直在這個(gè)方向上不斷開展工作，他們用強(qiáng)大的超聲波浴對原材料進(jìn)行分散，然后將其沉積在基底上來制作石墨烯。目前已經(jīng)可控生產(chǎn)出單層的或更多層的石墨烯片。

    事實(shí)上，石墨烯已開始進(jìn)入消費(fèi)品領(lǐng)域，Dickinson博士就有一對帶石墨烯膜的耳機(jī)，Schniepp教授也說大型產(chǎn)品如網(wǎng)球拍框架距離市場大約五年時(shí)間。大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的最重要的是質(zhì)量控制，這也是Schniepp教授和Dickinson博士的成果最有意義的地方。

    Schniepp教授說：“石墨烯的層數(shù)很重要，不同層數(shù)的石墨烯特性完全不同，所以我們要檢測薄片的厚度。平常我們都是用高通量的方式檢測，這項(xiàng)工作電子顯微鏡就可以完成，但任何接近工業(yè)規(guī)模的石墨烯生產(chǎn)都需要相對快速的分析過程，所以處于這種思考，我們不能用數(shù)百萬美元的儀器。”

    于是他們決定嘗試使用一些質(zhì)量很好的光學(xué)顯微鏡， “你幾乎可以在每個(gè)研究實(shí)驗(yàn)室，甚至是教學(xué)實(shí)驗(yàn)室里找到它。” Schniepp說。

    但實(shí)際上，光學(xué)顯微鏡在納米技術(shù)應(yīng)用中使用最少，因?yàn)檫_(dá)不到那么高的分辨率。石墨片它非常薄，幾乎沒有光學(xué)對比度，光線可以完全透過它們，因此如果我們只是通過顯微鏡觀察它們的話幾乎沒法觀察。

    之后，Dickinson也對試圖用原子力顯微鏡觀察大石墨片的想法感到沮喪，因?yàn)樵恿︼@微鏡最多與100微米左右的物體一起工作，但他的樣品比這個(gè)最大值還要大上幾倍。

    “所以我想，既然不能使用原子力顯微鏡，也許我可以用光學(xué)顯微鏡觀察它們，并從中得到一些東西，” Dickinson說，“我需要一些新想法。”

    他在光學(xué)鏡頭下面放了一些石墨烯片，看到了大量工程師和科學(xué)家之前看到的情況，可以分辨出不同的層，但圖像不夠好。Dickinson開始琢磨這個(gè)過程，并逐步完善它。例如，他制作了石墨烯所在的裸基板的圖像，并用它來減去圖案背底。

    通過這種方法，Dickinson得到了更好的圖片。于是他開始將圖像肢解成很多直方圖拼接在一起的模樣，就像照片編輯器在Photoshop中修正照片一樣。這讓他更接近理想的結(jié)果，但還不夠接近。

    后來Dickinson開始思考用原子力顯微鏡的自帶軟件的圖像處理功能。他想，如果他從光學(xué)顯微鏡下拍攝石墨烯圖像，并通過AFM圖片處理功能修正，會(huì)發(fā)生什么？他認(rèn)為這值得一試。于是他將這個(gè)光學(xué)圖像導(dǎo)出到一個(gè)文本文件中，并將其導(dǎo)入AFM軟件中使用這些技術(shù)。突然間，他清晰地看到很多層石墨烯。

    他努力地改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，但仍然不敢確定自己的成就，直到他和Schniepp教授在一次會(huì)議上向康涅狄格大學(xué)合作者Douglas Adamson證明了這一過程。“當(dāng)我們把它展示給Adamson教授時(shí)，他說 ‘這非常酷，以前沒有人做過這件事，這是一件極其有用的事情！’。”Dickinson回憶說。

    在這次會(huì)議上獲得意外的認(rèn)可，讓他們非常高興。他們課題內(nèi)容相關(guān)的海報(bào)也吸引了一群激動(dòng)人心的工程師和科學(xué)家，Dickinson博士開心地說，當(dāng)時(shí)他們快被人群淹沒了，成了全場的焦點(diǎn)。

    也難怪他們的海報(bào)引起了如此多的關(guān)注。Schniepp教授估計(jì)，他們的技術(shù)比現(xiàn)在使用的石墨烯檢測技術(shù)便宜10倍，檢測速度至少比加快了100倍。這是石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)邁出的一大。

    Schniepp教授認(rèn)為大部分的功勞都應(yīng)該歸Dickinson博士所有，“其中大部分的工作都是Will做完的，我認(rèn)為如果沒有他，這篇論文就不存在了，” Schniepp說，“這件事的完成不是我有想法然后勸他這樣做，他才是那個(gè)看到這種方法有巨大潛力的人，他用他極度的耐心和毅力，以完美的技術(shù)完成這項(xiàng)工作，這一切都?xì)w功于他。”

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