När det materialet skiljer sig så mycket åt beroende på hur det tillverkas och vad det är för material man vill ha, i princip kan de delas in i följande kategorier som sedan vart och ett kan kvalitetsbedömas.
Grafen (monolayer) 1 layer
Bilager grafen 2 lager
Få-lager graphene 2-5 lager
Multilager graphene 2-10 lager
Graphite nanoplatelets, nanosheets
graphite nanoflakes
Graphene oxide (GO)
Vilka egenskaper och hur karaktäriseras dessa?
De viktiga egenskaperna hos grafen filmer och flingor som har stor betydelse för användningen är:
Strukturen, antalet lager och defekter
Elektroniska egenskaperna
Mobilitet
Konduktivitet/resistans
värmeledningsförmåga
För att förstå de olika metoderna och vad det visar behöver man känna till lite om grafenets unika struktur. Här har vi den direkta av grafen, som består av substrukturerna A och B. typ a atomer och typ b atomer betecknas med fasta och ihåliga cirklar, respektive. De streckade linjerna markerar σ bindningar mellan kolatomerna och bildar det sexkantiga gallret. a1 och a2 är de primitiva vektorerna. Om man fukuserar på substruktur A, det blir en Hexagon som kallas Wigner-Seitz vars gränser kallas Bravais gitter.
Från kunskaper om Bravais gitter kan vi få fram (efter något steg)en hexagon som kallas Brillouin zon. Det visar sig att en hexagon är i centrerat, de 6 hörnen, kallas Dirac punkter som också kan kallas den koniska skärningspunkten. För att inte gå för djupt in i teorin bakom kan man härifrån via något steg få grafenets unika egenskper som dess Dirac punkter och Fermi nivå, ser den typiska linjära konen, och även att grafen saknar ett band gap. Man kan även från konen bestämma hurvida materlet är dopat eller inte.
Grafen karakterisering med tem
Den vanligaste metoden som används för kvalitetskontroll inte bara för grafen utan även för andra material är Transmissionselektronmikroskop – tem.
En hög energi elektronstråle av en eller 200 kilo EV överförs genom ett mycket tunt prov som placerats på en hållare. Elektronerna interagerar med provet när det passerar. Dessa elektroner bär information som de erhållit genom interaktion med preparatet. Man kan likna elektronstrålen med en lampa som lyser igenom provet och hur ljusstrålarna sänds ut genom pappret. Man får då fram mönstret och morfologi tydligt. Grafen är mycket lämplig att karaktäriseras i tem eftersom det är ultratunt.
Från en tem bild kan vi få information om grafens morfologi, renlighet, och ibland den kemiska sammansättningen. Om provet är super rent kan man även få bilder av atomär upplösning. Det är dock inte lätt att exakt räkna från tem prov veta hur många lager av grafen som finns utan det får vara en grov uppskattning. För att mer exakt bestämma antal lager av grafen i provet kan man använda sig av elektrondiffraktion, som bygger på teorin att elektronerna kan ses som vågor. När de passerar genom provet, kan den periodiska strukturen betraktas som galler, och ett diffraktionsmönster kan visas på en skärm.
Grafen karakterisering av Raman spektroskopi
Raman-spektroskopi är en annan använd teknik för grafen karakterisering. Atomer i en kristall illustreras ofta schematiskt genom att rita många prickar. Men i verkligheten är inte dessa prickar stilla utan de är ständigt något vibrerande i termisk rörelse. Detta skapar en så kallade gitter våg i fasta ämnen. På grund av den våg-partikel dualitet, gitter vågen kan också beskrivas av en slags imaginära partiklar som kallas phonons. Med andra ord introduceras kvasi-partikel-phonon för att beskriva atomstrukturens dynamik.
När man lyser igenom ett prov med hjälp av en laser kommer fotonerna kommer att interagera med phonons i provet. När man vi samlar in fotonerna igen har deras energi förändrats beroende på egenskaperna i provet. För grafen och dess allotroper man man genom Raman-spektroskopi, mäta förändringen i incidentens fotonenergi, man kan få information om SP2 eller SP3 bindningarna, kemiska orenheter, kristall storleken, struktur. Till skillnad från tem, där elektroner i hög hastighet passerar genom provet är Raman metoden icke-förstörande och provberedningen är också mycket enklare man behöver inte överföra the grafen till en TEM hållare.
Resultatet av en Raman-spektrum undersökning av kan se ut så här där de olika topparna visar förändringen i fotonenergin. Man kan tyda ut om grafen är defekt, har korngränser eller är kemiskt dopad.
Elektrisk karakterisering av grafen
För att mäta grafenets elektriska egenskaper behöver man känna till att resistansen (R) i ett 2 D material hanteras på ett annat sätt än i 3D. Motståndet hos ett visst material R är lika med ρL/S, där ρ, L och S är resistivitet, längd och Area av ledaren respektive. Detta är dock formeln för 3-dimensionell resistens. När tjockleken på ett material blir tunn nog så att det kan försummas, kallar vi det ett 2D-material. I det här fallet är det mer praktiskt att definiera det så kallade 2D-resistansen, R2D =ρL/W. Vad skiljer sig från 3D-fallet är att här har vi ingen tvärsnittsarea S eftersom materialet är för tunt. Vi använder bredden W istället. Därför är ρ kallas 2D-resistivitet, vilket innebär motståndet hos en bit av 2D-material med enhetens längd och enhetens bredd. Om vi sätter L = W, denna term kommer att minska till 1, och vi får R2D =ρ2D = rs.
För att mäta lagrets resistensen i grafen tillverkas en enhet där man kopplar 2 elektroder för att skicka en ström genom materialet och använder 4 kontakter för att mäta spänningen – spännings sonder. (Det finns varianter beroende på antalet sonder som används). Kurva som man får ut är den uppmätta ström-spänning egenskapen i provet, som är känd som i-V. Det visar ett linjärt uppförande som är resultatet av ohmisk lag.
Rörlighet
Att mäta rörlighet, Mobilitet, µ i materialet är lämplig om man söker grafen som ska användas för högkvalitativa avancerade elektroniska applikationer. Man kan mäta rörligheten Hall Effect metoden eller fält effektmätning som inte är fullt så tillförlitlig som Hall metoden.