由于其卓越的物理特性以及極高的載流子遷移率和機械柔韌性，石墨烯為電子和光電子學中實現(xiàn)各種新型器件開辟了道路。對于這些器件，需要采用自下而上的制造方法，例如化學氣相沉積（CVD）來制造晶圓尺寸的單晶。也可以通過自上而下的方法（例如機械剝離）獲得相對高質(zhì)量的原子層。但結(jié)果通常是具有從單層到幾十層的各種混合物。另一方面，使用CVD來制造毫米級的單域單層石墨烯，其中通過控制生長條件例如銅基板的表面氧化來顯著降低成核密度。然而，通過CVD制備的石墨烯樣品被認為具有比通過機械剝離方法制備的石墨烯樣品更低的質(zhì)量。在生長和轉(zhuǎn)移過程中，不可避免地會在CVD石墨烯片中形成許多缺陷，例如裂紋，皺紋和邊界（DBs）處的缺陷，這嚴重損害了其電氣傳輸特性。因此，需要能夠測量影響大范圍電特性的局部缺陷分布的技術(shù)。

為了實現(xiàn)高分辨率測量，存在幾種用于表征覆蓋大面積的石墨烯片的電性能的方法。太赫茲光譜映射可以定量地評估石墨烯的電遷移率，而無需進行復雜的設(shè)備構(gòu)圖，并且可以通過掃描整個薄片區(qū)域直接對這些物理參數(shù)進行成像。但是，其低的空間分辨率（低于100微米到不到1毫米）使得難以檢測石墨烯片上的局部結(jié)構(gòu)。

圖為高放大倍數(shù)的紅外熱成像圖像和詳細的熱性能分析

紅外熱成像（IRT）是一種大面積樣本的無損快速熱特征分析方法，具有微米級的空間分辨率。在偏置設(shè)備中檢測焦耳熱可以使局部結(jié)構(gòu)成像，而不會在短時間內(nèi)獲得熱擴展的影響。此外，由于紅外熱成像圖像的視野范圍廣（通常從亞毫米到亞厘米，因此可以表征大樣本中的局部結(jié)構(gòu)。例如，該方法已被用于檢查諸如集成電路和太陽能電池的大規(guī)模半導體器件中的局部結(jié)構(gòu)故障。

圖為領(lǐng)域邊界缺陷的熱可視化

最近，通過實驗證明了微米級分辨率下厘米級CNT復合材料中碳納米管網(wǎng)絡(luò)路徑的紅外熱成像。這些結(jié)果強烈表明，紅外熱成像將成為快速可視化具有大面積的導電材料中局部結(jié)構(gòu)的強大工具。結(jié)果表明，紅外熱成像成功地將由局部缺陷引起的電阻差異可視化為不均勻的熱輻射。此外，紅外熱成像暴露出各種缺陷的存在，不僅是微米級的結(jié)構(gòu)（例如裂縫和皺紋），還有原子缺陷（例如大片中的DBs）。將結(jié)合局部電阻測量以及形態(tài)和光譜特征，討論在石墨烯片上觀察熱輻射和電流模式。目前的結(jié)果表明，就大型石墨烯器件的電均勻性和局部缺陷檢測而言，紅外熱成像對于快速和精確的質(zhì)量評估非常有用。此外，該方法應(yīng)適用于過渡金屬二鹵化物，例如MoS2和WS2。紅外熱成像觀測有望在二維材料設(shè)備中獲得新發(fā)現(xiàn)。

參考資料：

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.