本發明涉及石墨烯加工設備領域，特別是一種帶光學原位檢測的石墨烯減薄裝置。
背景技術：
石墨烯是由碳原子以sp2雜化方式形成蜂窩狀結構的平面薄膜，是一種新型的二維材料。石墨烯具有優異的光學、電學、力學性能，是下一代微納光機電器件的核心材料。石墨烯的制備方法按碳源的形態進行分類，可分為固相法、液相法及氣相法，然而在石墨烯器件制備中，以固相法中的機械剝離高定向熱解石墨法及氣相法中的化學氣相沉積法應用最為廣泛。這兩種方法各有優勢，也各自存在一定的不足之處。機械剝離法制備的石墨烯質量高，但尺寸通常只有幾微米至幾十微米，制備產率低，且厚度不可控。而化學氣相沉積法可制備大面積的石墨烯多晶薄膜或毫米級單晶薄膜，產量高，但該方法制備的石墨烯容易存在缺陷，且在大面積范圍內容易出現厚度不均勻或不連續的現象。
在石墨烯器件中，石墨烯的層數是決定石墨烯特性的重要參數。石墨烯的電子結構、光學性質與層數密切相關，許多石墨烯光電器件的性能直接由其層數決定。而上述石墨烯制備工藝都存在著石墨烯層數難以精確控制或所制備的石墨烯層數不均勻的問題。因此在石墨烯器件的制備過程中，需要對制備得到的石墨烯進行后續減薄。對石墨烯層數進行精確調控成為了亟待解決的問題。
石墨烯的減薄需要對原子級厚度的石墨烯薄膜進行精密的厚度調控，這給主流的半導體刻蝕工藝帶來了極大的挑戰。目前，石墨烯減薄方法主要包括以下3種。(1)化學刻蝕法。文獻《science.2011；331(6021):1168》通過濺射金屬鋅破壞頂層石墨烯的晶格結構，然后使用稀鹽酸溶解金屬鋅與頂層被破壞的石墨烯層，從而實現單原子層精度的石墨烯刻蝕。(2)等離子刻蝕法。專利《cn102931055b》公開了一種使用等離子體刻蝕對任意厚度的石墨烯進行減薄的方法。(3)激光減薄。專利《cn102931055b》公開了一種使用超快激光對石墨烯進行減薄的方法，使用激光將一定層數的石墨烯從樣品上剝離，從而實現層數的精確控制。上述的三種方法要么只能對石墨烯樣品進行全局減薄，無法滿足不均勻樣品對局部的不均勻區域進行減薄的需求；要么需要在減薄前對整個石墨烯薄膜的層數進行測定，從而得到樣品每個位置的層數信息，進而進行減薄，然而這種先測量后減薄的方法需要將測量厚度時的坐標與減薄坐標嚴格對準，方可精確定位局部不均勻區域進而實現減薄，實際操作十分困難。
技術實現要素：
本發明的主要目的在于克服現有技術中的上述缺陷，提供一種帶光學原位檢測，可實時獲取石墨烯被減薄位置層數信息，并可根據實時測量得到的層數信息對石墨烯進行減薄的裝置，該裝置還可實時監控被測點的溫度信息，避免減薄過程中因溫度過高而破壞石墨烯。
本發明采用如下技術方案：
一種帶光學原位檢測的石墨烯減薄裝置，其特征在于，包括工作臺、減薄光路單元、激發光路單元、原位檢測光路單元和計算機；該工作臺設有真空腔以放置石墨烯；該減薄光路單元設置于工作臺上方以向石墨烯發出第一激光束實現減薄；該激發光路單元設置于工作臺上方以發出第二激光束，且該第二激光束與第一激光束合束后聚焦于石墨烯表面的被測點；該原位檢測光路單元位于工作臺下方以收集被測點產生的石墨烯拉曼散射光，進行濾波處理后通過光譜分析得到石墨烯被測點的拉曼光譜信號；該計算機與原位檢測光路單元、減薄光路單元相連以根據光譜信號得到石墨烯被測點的層數和溫度值，及根據被測點層數調整第一激光束以控制減薄層數。
優選的，所述減薄光路單元包括依次放置的第一激光器、激光快門、光學衰減器與第一反射鏡；該第一激光器發射的第一激光束依次經過激光快門、光學衰減器和第一反射鏡；該激光快門和光學衰減器與所述計算機相連。
優選的，所述激發光路單元包括第二激光器、二向色鏡、擴束鏡和第一聚焦物鏡；該第二激光器用于發射第二激光束；該二向色鏡用于反射第二激光束并與第一激光束合束至擴束鏡，該第一聚焦物鏡將第一激光束和第二激光束聚焦于所述石墨烯的被測點。
優選的，所述第二激光器為固體激光器，波長為532nm，功率為200mw。
優選的，所述原位檢測光路單元包括依次設置的第二聚焦物鏡、第二反射鏡、第一陷波濾光片，第二陷波濾光片、聚焦透鏡、光纖接頭、光纖和光譜儀；該第二聚焦物鏡位于所述石墨烯下方以收集所述石墨烯被減薄位置的拉曼散射光；該第二反射鏡將收集的石墨烯散射光反射，并依次通過第一陷波濾光片、第二陷波濾光片分別濾除第一激光束、第二激光束，再由該聚焦透鏡匯聚后進入光纖接頭；光纖接頭通過光纖傳遞至光譜儀進行光譜分析得到光譜信號；所述計算機與該光譜儀相連以根據拉曼信號2d峰與g峰的比值判斷石墨烯層數，及根據2d峰與g峰的偏移情況得到石墨烯被減薄區域的溫度值。
優選的，所述第二陷波濾光片的中心波長為532nm，半高寬為10nm，光學密度od>5。
優選的，所述第一陷波濾光片的中心波長與所述第一激光束的中心波長相等，半高寬為10nm，光學密度od>5。
優選的，還包括三維精密位移臺；該三維精密位移臺與所述工作臺固定連接，且由所述計算機控制驅使所述工作臺運動以檢測下一被測點。
優選的，所述真空腔上、下面采用透明石英窗口；所述第一激光束和所述第二激光束透過上面的透明石英窗口聚焦于所述石墨烯；所述石墨烯產生的拉曼散射光透過下面的透明石英窗口出射。
優選的，還包括真空泵，該真空泵與所述真空腔相連以抽真空。
由上述對本發明的描述可知，與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
1)可原位實時監測石墨烯的層數，石墨烯減薄與厚度測量同時進行，無需坐標對準過程，操作方便簡單，滿足了不均勻石墨烯局部減薄的需求；
2)可根據實時測量的石墨烯層數，通過調整光學衰減器與激光快門，精確控制減薄所使用的激光功率及時間，從而精確控制減薄的石墨烯層數；
3)可實時監控減薄過程中的溫度變化，防止減薄過程中因溫度過高造成石墨烯樣品的損毀。
附圖說明
圖1為本發明具體實施方式的簡化結構示意圖。
1-減薄光路單元，11-第一激光器，12-激光快門，13-光學衰減器，14-第一反射鏡；2-激發光路單元，21-第二激光器，22-二向色鏡,23-擴束鏡，24-第一聚焦物鏡；3-原位檢測光路單元，31-第二聚焦物鏡，32-第二反射鏡，33-第一陷波濾光片，34-第二陷波濾光片，35-聚焦透鏡，36-光纖接頭，37-光纖，38-光譜儀；4-石墨烯，41-真空腔，42-工作臺，43-三維精密位移臺，44-真空泵。
具體實施方式
以下通過具體實施方式對本發明作進一步的描述。
如圖1所示，一種帶光學原位檢測的石墨烯減薄裝置，設有減薄光路單元1、激發光路單元2、原位檢測光路單元3、三維精密位移臺43、工作臺42、真空泵44及計算機。該工作臺42上設有真空腔41以放置石墨烯4，并提供石墨烯減薄所需要的真空壞境。真空腔41上下兩面為透明石英窗口，被加工的石墨烯置于真空腔41內的石英窗口上。被加工的石墨烯可直接轉移至真空腔41內的石英窗口上，亦可轉移至透明基底上，如玻璃基底，石英基底，氧化鋁基底等，再將載有石墨烯的透明基底放置于真空腔41內的石英窗口上。
工作臺42安裝在三維精密平移臺43上，三維精密位移臺43由計算機控制用于驅使工作臺42和真空腔41移動。真空腔41通過真空管道與真空泵44相連，真空泵44將真空腔41抽至低真空狀態，防止石墨烯減薄過程中氧氣對石墨烯的破壞。
本發明的裝置采用激光對石墨烯進行減薄，且裝置可實時監測被減薄點的石墨烯厚度，根據測量得到的石墨烯厚度及所需要的目標厚度，通過控制減薄所使用的激光功率及減薄時間，實現層數可控的減薄。該裝置還可實時監控被減薄點的溫度，實時調整激光功率及減薄時間，避免減薄過程中因溫度過高而造成石墨烯樣品損毀。具體如下：
減薄光路單元1位于工作臺42上方，用于石墨烯的減薄，包括依次設置的第一激光器11、激光快門12、光學衰減器13及反射鏡14。第一激光器11為光纖皮秒激光器，所發出的第一激光束功率為1w，波長為1030nm，脈沖重復頻率為10khz，脈寬為10ps。激光快門12的響應時間為1微秒，通過激光快門12的開與閉，可精確控制到達石墨烯上的激光脈沖的個數，從而對石墨烯層數進行精確的減薄。光學衰減器13由兩片偏振鏡組成，通過第一片偏振鏡的旋轉可精密連續的調節聚焦于石墨烯上的第一激光束的功率。
激發光路單元2位于工作臺42上方，用于激發被減薄的石墨烯樣品產生拉曼信號，包括依次放置的第二激光器21、二向色鏡22、擴束鏡23及第一聚焦物鏡24。第二激光器21為半導體激光器泵浦的固體激光器，所發出的第二激光束波長為532nm，功率為200mw。二向色鏡22為長通二向色鏡，截止頻率為650nm，即波長大于650nm的光，可通過二向色鏡22，而波長小于650nm的光，被二向色鏡22反射。因此波長為1030nm的第一激光束可通過二項色鏡22，而波長為532nm的第二激光束則被二項色鏡22反射，從而實現第一激光束與第二激光束的合束。擴束鏡23的放大倍數為3倍，第一聚焦物鏡的放大倍數為50倍，數值孔徑為0.7。第一激光束被反射鏡14反射后，依次經過二向色鏡22、擴束鏡23與第一聚焦物鏡24，聚焦于被加工的石墨烯表面進行石墨烯的減薄。聚焦后的光斑直徑大小約為2μm。第二激光束依次經過二向色鏡22、擴束鏡23、第一聚焦物鏡24后與第一激光束聚焦于石墨烯樣品表面的同一點，激發聚焦點處的石墨烯樣品產生拉曼散射信號。該拉曼散射信號中包含了石墨烯的層數信息與加工點的溫度信息。第一激光器11與第二激光器21聚焦于同一點，所述的被減薄點與被測量為同一點，都為激光束的聚焦點。
原位檢測光路單元3置于真空腔41和工作臺42下方，用于實時原位測量石墨烯的層數及減薄時的溫度溫度，包括依次放置的第二聚焦物鏡31、第二反射鏡32、第一陷波濾光片33、第二陷波濾光片34、聚焦透鏡35、光纖接頭36、光纖37及光譜儀38。第二聚焦物鏡32用于收集第一激光束與第二激光束聚焦點處的石墨烯拉曼散射光，第二聚焦物鏡31的放大倍數為50倍，數值孔徑為0.7。由于第一激光束與第二激光束可穿過石墨烯進入第二聚焦物鏡31，因此第二聚焦物鏡31所收集的拉曼散射光中包含大量的第一激光束與第二激光束。第二聚焦物鏡31所收集的光束經第二反射鏡32反射后，依次經過第一陷波濾光片33與第二陷波濾光片34進行濾波。第一陷波濾光片的中心波長為1030nm，半高寬為10nm，光學密度od＝6，可有效阻止第一激光束的透過。第二陷波濾光片的中心波長為532nm，半高寬為10nm，光學密度od＝6，用于阻止第二激光束的通過。濾除第一激光束及第二激光束后，收集的純凈石墨烯拉曼散射信號經聚焦透鏡35耦合進入光纖接頭36，并由光纖37傳送至光譜儀38進行光譜分析。光譜儀38將測量得到的石墨烯拉曼光譜信號傳輸至計算機。
計算機根據石墨烯拉曼信號的2d峰與g峰的比值，可得到該點石墨烯的層數信息。根據測量得到的石墨烯的層數及預期的目標層數，計算機通過調節光學衰減器13與激光快門12精密控制石墨烯減薄所使用的激光功率及減薄時間，精確地對石墨烯進行減薄。在減薄過程中，裝置可實時監測被減薄點的層數，確保減薄后的石墨烯層數為所預期的層數。由于溫度值的變化會導致石墨烯d峰與g峰位置的偏移，計算機通過監測石墨烯光譜信號中d峰與g峰位置的偏移情況，可得到被減薄點的溫度值，從而對減薄點的溫度值進行實時監控，避免被減薄過程中由于減薄點溫度過高導致石墨烯樣品的損毀。
第一激光束與第二激光束可透過上部石英窗口聚焦于被減薄的石墨烯上，石墨烯產生的激發光可通過下部的石英窗口出射，并由原位檢測光路單元3收集，并進行光譜分析。三維精密平移臺43帶動工作臺42及真空腔41運動，進而使得被加工的石墨烯與第一激光束、第二激光束產生相對運動。當某一個點的石墨烯被減薄至預期的層數后，三維平移臺43將石墨烯移動至下一個點，進行層數的檢測與減薄。裝置依照此方式對石墨烯上的每個點進行厚度測量與減薄，從而得到厚度均勻，層數可控的石墨烯薄膜。
上述僅為本發明的具體實施方式，但本發明的設計構思并不局限于此，凡利用此構思對本發明進行非實質性的改動，均應屬于侵犯本發明保護范圍的行為。