二维异质结材料界面缺陷检测方法及装置

摘要

本发明提供一种二维异质结材料界面缺陷检测方法及装置，该方法包括：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线；根据探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；根据电声耦合寿命与等离子攻击时间关系曲线获取等离子攻击时间；根据等离子攻击时间获取缺陷浓度。本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法，通过利用飞秒瞬态吸收成像系统获取异质结探测光衰减曲线，根据探测光衰减曲线获取电声耦合寿命，根据电声耦合寿命与等离子攻击时间关系曲线获取等离子攻击时间，根据等离子攻击时间获取缺陷浓度，实现利用飞秒瞬态吸收成像技术，基于“缺陷‑电声耦合”作用机理，检测二维材料异质结界面缺陷。

权利要求

1.一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，其特征在于，包括：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线；

根据所述探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；

根据所述电声耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取所述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间；

根据所述等离子攻击时间获取缺陷浓度。

2.根据权利要求1所述的二维异质结材料界面缺陷检测方法，其特征在于，在所述利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线之前，所述方法还包括：

利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取在预设不同等离子攻击时间下的所述探测光衰减曲线；

分别根据所述在预设不同等离子攻击时间下的所述探测光衰减曲线获取所述预设不同等离子攻击时间对应的所述电声耦合寿命；

根据所述预设不同等离子攻击时间及对应的所述电声耦合寿命获取所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线。

3.根据权利要求1所述的二维异质结材料界面缺陷检测方法，其特征在于，所述电声耦合寿命的计算公式为：

其中，τ表示电声耦合寿命；t表示时间变量；ΔT表示有无泵浦光两种条件下，探测光通过所述二维异质结的透射光的强度的差值；T0表示没有泵浦光条件下，探测光通过所述二维异质结的透射光的强度；Δn表示有无泵浦光两种条件下，所述二维异质结中激子浓度的差值，表示被激发的激子浓度；ns表示激子饱和浓度；NC表示电子有效态密度；EC表示TMDC材料的导带底；EF表示石墨烯的费米能级；kB表示玻尔兹曼常数；Tam表示室温；Te(t)表示TMDC材料中电子在t时刻时的温度；Te，0表示TMDC材料中电子被激发时的初始温度。

4.根据权利要求1所述的二维异质结材料界面缺陷检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据预先标定好的拉曼强度比随等离子攻击时间的变化曲线获取石墨烯的临界等离3

子攻击时间；其中，所述临界等离子攻击时间是石墨烯的SP类型缺陷和空位类型缺陷的转折点；

比较所述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间与所述临界等离子攻击时间；若所3

述等离子攻击时间小于所述临界等离子攻击时间，则石墨烯的缺陷类型为SP类型；若所述等离子攻击时间大于所述临界等离子攻击时间，则石墨烯的缺陷类型为空位类型。

5.根据权利要求1所述的二维异质结材料界面缺陷检测方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据预先标定好的拉曼强度比随所述缺陷浓度的变化曲线获取石墨烯的临界缺陷浓3

度；其中，所述临界缺陷浓度是石墨烯的SP类型缺陷和空位类型缺陷的转折点；

比较所述缺陷浓度与所述临界缺陷浓度；若所述缺陷浓度小于所述临界缺陷浓度，则3

石墨烯的缺陷类型为SP类型；若所述缺陷浓度大于所述临界缺陷浓度，则石墨烯的缺陷类型为空位类型。

6.根据权利要求4或5所述的二维异质结材料界面缺陷检测方法，其特征在于，所述拉曼强度比包括ID/IG或I2D/IG；其中，ID表示缺陷相关的拉曼峰D峰的强度，IG表示拉曼峰G峰的强度，I2D表示拉曼峰2D峰的强度。

7.根据权利要求1所述的二维异质结材料界面缺陷检测方法，其特征在于，所述TMDC材料包括WS2。

8.一种二维异质结材料界面缺陷检测装置，其特征在于，包括：探测处理模块，用于：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线；

电声耦合寿命获取模块，用于：根据所述探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；

等离子攻击时间获取模块，用于：根据所述电声耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取所述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间；

缺陷浓度获取模块，用于：根据所述等离子攻击时间获取缺陷浓度。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述二维异质结材料界面缺陷检测方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述二维异质结材料界面缺陷检测方法的步骤。

说明书

二维异质结材料界面缺陷检测方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种二维异质结材料界面缺陷检测方法及装置。

背景技术

[0002] 基于二维半导体材料制备的光电器件，比表面积大，材料制备和器件加工过程中，往往伴随着各种缺陷的产生，缺陷的出现决定了器件的性能。但针对二维材料界面缺陷的
检测，还缺少有力检测手段。目前检测二维材料表面缺陷的主要方法包括光谱法和显微成
像法。成像手段包括透射电子显微(TEM)和扫描隧道显微(STM)，通过对原子尺度的缺陷进
行结构成像来观测缺陷，但此方法存在一些问题，如样品制备过程复杂和表征区域小等；光
谱法主要包括拉曼(Raman)、光致发光(Photoluminescence，PL)光谱和X射线光电子能谱
(XPS)，拉曼和光致发光光谱可以检测二维材料的晶体结构、电子结构和晶格振动等信息，
材料界面缺陷的产生可以对上述信息进行影响，从而实现对缺陷的检测。对于可以光致发
光的二维材料，如层状TMD材料，拉曼光谱和光致发光光谱对缺陷的敏感度不是很高，尤其
对于PL光谱，常常需要在低温条件下测量。而XPS存在空间分辨率较差的问题。因此，针对二
维材料界面缺陷的检测，仍缺乏有效的检测手段。

发明内容

[0003] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种二维异质结材料界面缺陷检测方法及装置。

[0004] 本发明提供一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，包括：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线；根据所述
探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；根据所述电声耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子
攻击时间的关系曲线获取所述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间；根据所述等离子
攻击时间获取缺陷浓度。

[0005] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，在所述利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线之
前，所述方法还包括：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结
进行探测，获取在预设不同等离子攻击时间下的所述探测光衰减曲线；分别根据所述在预
设不同等离子攻击时间下的所述探测光衰减曲线获取所述预设不同等离子攻击时间对应
的所述电声耦合寿命；根据所述预设不同等离子攻击时间及对应的所述电声耦合寿命获取
所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线。

[0006] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述电声耦合寿命的计算公式为：

[0007]

[0008]

[0009] 其中，τ表示电声耦合寿命；t表示时间变量；ΔT表示有无泵浦光两种条件下，探测光通过所述二维异质结的透射光的强度的差值；T0表示没有泵浦光条件下，探测光通过所
述二维异质结的透射光的强度；Δn表示有无泵浦光两种条件下，所述二维异质结中激子浓
度的差值，表示被激发的激子浓度；ns表示激子饱和浓度；NC表示电子有效态密度；EC表示
TMDC材料的导带底；EF表示石墨烯的费米能级；kB表示玻尔兹曼常数；Tam表示室温；Te(t)表
示TMDC材料中电子在t时刻时的温度；Te，0表示TMDC材料中电子被激发时的初始温度。

[0010] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述方法还包括：根据预先标定好的拉曼强度比随等离子攻击时间的变化曲线获取石墨烯的临界等离子攻击
3
时间；其中，所述临界等离子攻击时间是石墨烯的SP 类型缺陷和空位类型缺陷的转折点；
比较所述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间与所述临界等离子攻击时间；若所述等
3
离子攻击时间小于所述临界等离子攻击时间，则石墨烯的缺陷类型为SP类型；若所述等离
子攻击时间大于所述临界等离子攻击时间，则石墨烯的缺陷类型为空位类型。

[0011] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述方法还包括：根据预先标定好的拉曼强度比随所述缺陷浓度的变化曲线获取石墨烯的临界缺陷浓度；其
3
中，所述临界缺陷浓度是石墨烯的SP类型缺陷和空位类型缺陷的转折点；比较所述缺陷浓
度与所述临界缺陷浓度；若所述缺陷浓度小于所述临界缺陷浓度，则石墨烯的缺陷类型为
3
SP类型；若所述缺陷浓度大于所述临界缺陷浓度，则石墨烯的缺陷类型为空位类型。

[0012] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述拉曼强度比包括ID/IG或I2D/IG；其中，ID表示缺陷相关的拉曼峰D峰的强度，IG表示拉曼峰G峰的强度，I2D表示
拉曼峰2D峰的强度。

[0013] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述TMDC材料包括WS2。

[0014] 本发明还提供一种二维异质结材料界面缺陷检测装置，包括：探测处理模块，用于：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探
测光衰减曲线；电声耦合寿命获取模块，用于：根据所述探测光衰减曲线获取电声耦合寿
命；等离子攻击时间获取模块，用于：根据所述电声耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子
攻击时间的关系曲线获取所述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间；缺陷浓度获取模
块，用于：根据所述等离子攻击时间获取缺陷浓度。

[0015] 本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述二维异质结材
料界面缺陷检测方法的步骤。

[0016] 本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述二维异质结材料界面缺陷检测方法的步骤。

[0017] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法及装置，通过利用飞秒瞬态吸收成像系统获取异质结的探测光衰减曲线，根据探测光衰减曲线获取电声耦合寿命，根据电
声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取等离子攻击时间，根据等离子攻击时间获取
缺陷浓度，实现了利用飞秒瞬态吸收成像技术，基于“缺陷‑电声耦合”作用机理，检测二维
材料异质结界面原子级缺陷。

附图说明

[0018] 为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一
些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些
附图获得其他的附图。

[0019] 图1是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法的流程示意图；

[0020] 图2是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法中探测光衰减曲线示意图；

[0021] 图3是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法中电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线的示意图；

[0022] 图4是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法中拉曼强度比和PL强度随等离子攻击时间和缺陷浓度的变化曲线图；

[0023] 图5为飞秒瞬态吸收成像系统的探测过程示意图；

[0024] 图6为二维石墨烯/WS2异质结的电荷转移过程示意图；

[0025] 图7为二维石墨烯/WS2异质结的电声耦合示意图；

[0026] 图8为二维石墨烯/WS2异质结样品的光学图像；

[0027] 图9为二维石墨烯/WS2异质结样品的稳态光致发光光谱示意图；

[0028] 图10为二维石墨烯/WS2异质结样品的拉曼光谱示意图；

[0029] 图11是WS2的荧光寿命成像示意图；

[0030] 图12是WS2/Gr的荧光寿命成像示意图；

[0031] 图13是WS2的荧光寿命成像和WS2/Gr的荧光寿命成像对应的曲线图；

[0032] 图14是石墨烯和WS2/Gr异质结在不同等离子攻击时间下的拉曼光谱；

[0033] 图15示出了G峰位置和费米能级随等离子攻击时间的变化示意图；

[0034] 图16示出了在0s、20s及40s的等离子攻击时间下的电声耦合成像示意图；

[0035] 图17是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置的结构示意图；

[0036] 图18是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，
而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳
动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 下面结合图1‑图18描述本发明的二维异质结材料界面缺陷检测方法及装置。

[0039] 图1是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法的流程示意图。如图1所示，所述方法包括：

[0040] 步骤101、利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线；

[0041] 步骤102、根据所述探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；

[0042] 步骤103、根据所述电声耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取所述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间；

[0043] 步骤104、根据所述等离子攻击时间获取缺陷浓度。

[0044] 将飞秒瞬态吸收成像技术用于缺陷的检测，其特点是同时具备飞秒量级时间分辨率和纳米空间分辨率，实现将超快时间参数引入缺陷的检测。首先，利用飞秒瞬态吸收成像
系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线。实验证明，当
异质结中引入缺陷后，层间作用除了电荷转移，缺陷打开了电声耦合通道，使异质结中激发
态电子浓度更快的衰减。激子浓度的变化和探测光的强度变化成正比。可以利用探测光的
衰减曲线表示激子浓度的衰减过程。根据探测光衰减曲线可以获取电声耦合寿命。获取事
先确定好的电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线，获取与根据探测光衰减曲线获取
的电声耦合寿命对应的等离子攻击时间，根据等离子攻击时间获取缺陷浓度。等离子攻击
时间越长，缺陷浓度越大。等离子攻击时间和缺陷浓度的对应关系可以采用已有公式。

[0045] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法，通过利用飞秒瞬态吸收成像系统获取异质结的探测光衰减曲线，根据探测光衰减曲线获取电声耦合寿命，根据电声耦合
寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取等离子攻击时间，根据等离子攻击时间获取缺陷浓
度，实现了利用飞秒瞬态吸收成像技术，基于“缺陷‑电声耦合”作用机理，检测二维材料异
质结界面原子级缺陷。

[0046] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，在所述利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线之
前，所述方法还包括：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结
进行探测，获取在预设不同等离子攻击时间下的所述探测光衰减曲线；分别根据所述在预
设不同等离子攻击时间下的所述探测光衰减曲线获取所述预设不同等离子攻击时间对应
的所述电声耦合寿命；根据所述预设不同等离子攻击时间及对应的所述电声耦合寿命获取
所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线。

[0047] 图2是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法中探测光衰减曲线示意图。图3是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法中电声耦合寿命与等离子攻击
时间的关系曲线的示意图。下面结合图2和图3说明电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系
曲线的获取过程。

[0048] 首先设定不同的等离子攻击时间，如0s、10s、20s、30s、40s、50s、60s。利用飞秒瞬态吸收成像系统进行探测，获取石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结中在各个不同的等离
子攻击时间下的探测光衰减曲线。对每个等离子攻击时间对应的探测光衰减曲线进行拟
合，可以得到每个等离子攻击时间下的电声耦合寿命。根据电声耦合寿命和各个等离子攻
击时间的对应关系，通过拟合获取电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线，如图3所
示。

[0049] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法，通过获取不同等离子攻击时间下的探测光衰减曲线，根据不同等离子攻击时间下的探测光衰减曲线获取电声耦合寿命与
等离子攻击时间的关系曲线，为实现缺陷浓度探测提供基础。

[0050] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述电声耦合寿命的计算公式为：

[0051]

[0052]

[0053] 其中，τ表示电声耦合寿命；t表示时间变量；ΔT表示有无泵浦光两种条件下，探测光通过所述二维异质结的透射光的强度的差值；T0表示没有泵浦光条件下，探测光通过所
述二维异质结的透射光的强度；Δn表示有无泵浦光两种条件下，所述二维异质结中激子浓
度的差值，表示被激发的激子浓度；ns表示激子饱和浓度；NC表示电子有效态密度；EC表示
TMDC材料的导带底；EF表示石墨烯的费米能级；kB表示玻尔兹曼常数；Tam表示室温；Te(t)表
示TMDC材料中电子在t时刻时的温度；Te，0表示TMDC材料中电子被激发时的初始温度。

[0054] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法，通过给出电声耦合寿命的计算公式，实现了电声耦合寿命的准确计算。

[0055] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述方法还包括：根据预先标定好的拉曼强度比随等离子攻击时间的变化曲线获取石墨烯的临界等离子攻击
3
时间；其中，所述临界等离子攻击时间是石墨烯的SP 类型缺陷和空位类型缺陷的转折点；
比较所述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间与所述临界等离子攻击时间；若所述等
3
离子攻击时间小于所述临界等离子攻击时间，则石墨烯的缺陷类型为SP类型；若所述等离
子攻击时间大于所述临界等离子攻击时间，则石墨烯的缺陷类型为空位类型。

[0056] 图4是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法中拉曼强度比和PL强度随等离子攻击时间和缺陷浓度的变化曲线图。其中，缺陷距离越大，表示缺陷浓度越小；缺陷
距离越小，表示缺陷浓度越大。如图4所示，拉曼强度比的变化趋势可以用来判断缺陷的类
型。缺陷类型具有转折点，缺陷类型的转折点对应临界等离子攻击时间，如图4所示，临界等
离子攻击时间为20s左右。在等离子攻击时间小于临界等离子攻击时间时，石墨烯的缺陷类
3
型为SP类型；在等离子攻击时间大于临界等离子攻击时间时，石墨烯的缺陷类型为空位类
型。

[0057] 在根据电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取电声耦合寿命对应的等离子攻击时间后，将获取的等离子攻击时间与临界等离子攻击时间进行比较，若等离子攻
3
击时间小于临界等离子攻击时间，则石墨烯的缺陷类型为SP类型；若等离子攻击时间大于
临界等离子攻击时间，则石墨烯的缺陷类型为空位类型。

[0058] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法，通过根据预先标定好的拉曼强度比随等离子攻击时间的变化曲线获取石墨烯的临界等离子攻击时间，根据石墨烯的临界
等离子攻击时间判断缺陷类型，提高了缺陷检测的能力。

[0059] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述方法还包括：根据预先标定好的拉曼强度比随所述缺陷浓度的变化曲线获取石墨烯的临界缺陷浓度；其
3
中，所述临界缺陷浓度是石墨烯的SP类型缺陷和空位类型缺陷的转折点；比较所述缺陷浓
度与所述临界缺陷浓度；若所述缺陷浓度大于所述临界缺陷浓度，则石墨烯的缺陷类型为
3
空位类型；若所述缺陷浓度小于所述临界缺陷浓度，则石墨烯的缺陷类型为SP类型。

[0060] 如图4所示，拉曼强度比的变化趋势可以用来判断缺陷的类型。缺陷类型具有转折点，缺陷类型的转折点对应临界缺陷浓度，如图4所示，临界缺陷浓度为5.2nm左右。在缺陷
浓度(LD)大于临界缺陷浓度时，石墨烯的缺陷类型为空位类型；在缺陷浓度小于临界缺陷
3
浓度时，石墨烯的缺陷类型为SP类型。

[0061] 在根据等离子攻击时间获取缺陷浓度后，将获取的缺陷浓度与临界缺陷浓度进行3
比较，若缺陷浓度小于临界缺陷浓度，则石墨烯的缺陷类型为SP 类型；若缺陷浓度大于临
界缺陷浓度，则石墨烯的缺陷类型为空位类型。

[0062] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法，通过根据预先标定好的拉曼强度比随缺陷浓度的变化曲线获取石墨烯的临界缺陷浓度，根据石墨烯的临界缺陷浓度判断
缺陷类型，提高了缺陷检测的能力。

[0063] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述拉曼强度比包括ID/IG或I2D/IG；其中，ID表示缺陷相关的拉曼峰D峰的强度，IG表示拉曼峰G峰的强度，I2D表示
拉曼峰2D峰的强度。

[0064] ID/IG和I2D/IG变化趋势可以用来判断石墨烯缺陷的类型，其中，ID表示缺陷相关的拉曼峰D峰的强度，IG表示拉曼峰G峰的强度，I2D表示拉曼峰2D峰的强度。如图4所示，石墨烯
3
的ID/IG先增加后减少，增加区域为SP类型，下降区域为空位类型。I2D/IG也可以用来表征缺
3
陷类型，其变化趋势为先不变再突变减少，不变区域为SP类型，突变下降区域为空位类型。

[0065] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法，通过利用ID/IG或I2D/IG进行拉曼强度比的标定，提高了灵活性。

[0066] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测方法，所述TMDC材料包括WS2。

[0067] 石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结中的TMDC材料可以采用WS2(二硫化钨)，也可以采用其他TMDC材料。

[0068] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法，可以实现石墨烯和WS2构成的二维异质结的缺陷探测。

[0069] 下面进一步结合具体的实例描述本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测方法的原理。

[0070] 近年来，由二维材料构成的范德瓦尔斯异质结具有优异的光电性能，广泛应用于高灵敏光探测器、光发射二极管、高性能晶体管、太阳能电池和下一代计算技术等。二维异
质结中层间耦合作用决定了器件的功能，如层间电荷转移、能量转移和电声耦合等。在理想
情况下，二维材料界面是无缺陷的。但实际中，在样品制备和器件加工过程中，在二维材料
界面往往会引入缺陷，缺陷的出现显著影响器件的性能。因此，如何检测二维材料界面缺陷
成为制约其发展的重要因素。

[0071] 利用石墨烯和过渡金属硫化物(TMDC)制备二维石墨烯/WS2异质结，人为在异质结表面引入缺陷，缺陷会影响石墨烯/WS2异质结的层间作用过程，层间作用过程通常发生在
超快时间范围内，本发明通过飞秒瞬态吸收成像系统来探测异质结的层间相互作用，研究
缺陷对层间作用的影响。图5为飞秒瞬态吸收成像系统的探测过程示意图。经过理论分析，
在没有引入缺陷前，二维石墨烯/WS2异质结的层间作用类型为电荷转移，即WS2中的激发态
电子转移到石墨烯中，图6为二维石墨烯/WS2异质结的电荷转移过程示意图。当在石墨烯表
面引入缺陷后，缺陷为层间作用带来新的通道，除了电荷转移，出现电声耦合，新的能量耗
散通道使电子衰减速率加快。图7为二维石墨烯/WS2异质结的电声耦合示意图。其中，pump
表示泵浦光，probe表示探测光。

[0072] 首先通过机械法在石英玻璃基底上制备层状的WS2样品，然后利用湿法转移将化学气相沉积生长的单层石墨烯垂直堆叠在WS2表面，获得二维石墨烯/WS2异质结，图8为二维
石墨烯/WS2异质结样品的光学图像。为了验证异质结层间发生了有效耦合作用，通过稳态
光致发光(PL)光谱来分析，图9为二维石墨烯/WS2异质结样品的稳态光致发光光谱示意图。
如图9所示，对于单独的WS2，PL光谱有两个峰，中性激子A峰和带电荷激子Trion峰；当制备
成石墨烯后，WS2的A激子峰显著下降，Trion峰几乎消失，这是由于异质结层间电荷转移造
成的；关于电荷转移方向，通过拉曼光谱来验证。图10为二维石墨烯/WS2异质结样品的拉曼
光谱示意图。如图10所示，对于WS2的拉曼光谱，和电荷掺杂相关的拉曼峰为A1g，当制备成
异质结后，异质结中WS2的A1g峰发生蓝移，说明WS2中的电子转移到石墨烯中而减少；利用荧
光寿命成像技术进一步验证层间耦合作用。图11是WS2的荧光寿命成像示意图。图12是WS2/
Gr的荧光寿命成像示意图。图13是WS2的荧光寿命成像和WS2/Gr的荧光寿命成像对应的曲线
图。Gr(Graphene)表示石墨烯。如图11～13所示，WS2和WS2/石墨烯中单层区域的寿命显著不
同，异质结的寿命变长，这是因为能带重整造成的，使异质结中A激子的库伦作用减弱，从而
寿命变长。

[0073] 为了研究缺陷对二维石墨烯/WS2异质结中层间作用的影响，通过氧等离子轰击在石墨烯表面制备具有不同类型和浓度的原子级缺陷，控制等离子轰击时间来改变缺陷的类
型和浓度。利用石墨烯的拉曼光谱来定标缺陷。图14是石墨烯和WS2/Gr异质结在不同等离
子攻击时间下的拉曼光谱。如图14所示，对于没有缺陷的石墨烯，其拉曼光谱主要有两个特
征峰(G和2D)。随着等离子轰击时间的增加，出现了两个缺陷相关的拉曼峰(D和D＇)，其中，D
峰的强度先增加再减少，G峰缓慢减小，2D峰逐渐减小，D＇峰出现后保持不变逐渐和G峰融
合。通常，可以利用石墨烯中的峰值强度比ID/IG和I2D/IG来判断缺陷的类型和浓度，ID表示
缺陷相关的拉曼峰D峰的强度，IG表示拉曼峰G峰的强度，I2D表示拉曼峰2D峰的强度。如图4
所示，ID/IG和I2D/IG变化趋势可以用来判断缺陷的类型，ID/IG先增加后减少，增加区域为
sp3类型，下降区域为空位类型。I2D/IG也可以用来表征缺陷类型，其变化趋势为先不变再突
变减少，不变区域为sp3类型，突变下降区域为空位缺陷。ID/IG可以用来评价缺陷的密度，通
过经验公式计算，缺陷浓度如图4的上轴坐标所示。

[0074] 接下来研究缺陷对二维石墨烯/WS2异质结的影响，图14对比了拉曼光谱随等离子轰击时间的变化规律，发现异质结中石墨烯的D峰和D＇峰被缺陷抑制，在开始阶段，几乎不
出现，进入空位缺陷区域，D峰才开始逐渐增加，D＇峰在最后才出现。此外，异质结中ID/IG的
变化趋势相比单独石墨烯的ID/IG显著不同，异质结变化缓慢，说明缺陷对异质结的层间作
用有重要影响。为了研究缺陷对异质结中层间作用的影响，图4中利用稳态PL光谱表征了异
质结中WS2的PL强度随时间变化规律，发现在sp3区域，PL强度变化不大，在空位缺陷，PL强
度显著减小，再次说明缺陷对异质结中层间作用有显著影响。

[0075] 本发明中，缺陷对异质结的层间作用归因于电声耦合的影响，在没有缺陷的二维石墨烯/WS2中，激发光激发WS2中的电子，电子可以转移到石墨烯中，此时，没有发生电声耦
合，因为发生电声耦合需要满足能量和动量守恒定律，通常石墨烯中的光学声子可以满足
守恒规则发生电声耦合，声学声子由于动量不守恒，不能参与电声耦合。但由于无缺陷的石
墨烯只有少量的光学声子，所以异质结中发生层间电声耦合作用的概率很小。当在异质结
中引入缺陷后，可以为电声耦合过程提供反冲动量，从而使声学声子参与电声耦合过程提
供了可能性。因此，当异质结中引入缺陷后，层间作用除了电荷转移，缺陷打开了电声耦合
通道，使异质结中激发态电子浓度更快的衰减。如图2所示，随着等离子轰击时间增加，由于
发生电声耦合，WS2中激子浓度衰减变快。通过对衰减曲线拟合，可以获得异质结中电声散
射的时间(电声耦合寿命)，如图3所示，随着等离子轰击时间增加，电声散射时间从7ps减小
到2ps，说明缺陷可以加快电声耦合过程。这是因为随着缺陷浓度增加，石墨烯的费米能级
升高，提高了电声耦合发生概率，使电声耦合发生速率加快。石墨烯的费米能级可以通过拉
曼光谱中的G峰位置来判断，图15示出了G峰位置和费米能级随等离子攻击时间的变化示意
图。进一步，为了直观的探测缺陷对异质结层间电声耦合过程的影响，本发明利用飞秒瞬态
吸收成像技术对电声耦合过程进行了直接成像。图16示出了在0s、20s及40s的等离子攻击
时间下的电声耦合成像示意图。可以发现随着缺陷浓度增加，电声耦合速率不断加快。

[0076] 本发明利用飞秒瞬态吸收成像技术，基于“缺陷‑电声耦合”作用机理，检测二维材料异质结界面原子级缺陷的类型和浓度。通过电声耦合的散射时间和成像方法来判断缺陷
浓度和类型，其关键是将飞秒瞬态吸收成像技术用于缺陷的检测，其特点是同时具备飞秒
量级时间分辨率和纳米空间分辨率，将超快时间参数引入缺陷的检测，是本发明的特色，基
于“缺陷‑电声耦合”作用机理进行缺陷探测是本发明的创新点。

[0077] 下面对本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置进行描述，下文描述的二维异质结材料界面缺陷检测装置与上文描述的二维异质结材料界面缺陷检测方法可相互
对应参照。

[0078] 图17是本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置的结构示意图。如图17所示，所述装置包括探测处理模块10、电声耦合寿命获取模块20、等离子攻击时间获取模块30
及缺陷浓度获取模块40，其中：探测光衰减曲线探测模块10用于：利用飞秒瞬态吸收成像系
统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线；电声耦合寿命
获取模块20用于：根据所述探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；等离子攻击时间获取模块
30用于：根据所述电声耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取所
述电声耦合寿命对应的所述等离子攻击时间；缺陷浓度获取模块40用于：根据所述等离子
攻击时间获取缺陷浓度。

[0079] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置，通过利用飞秒瞬态吸收成像系统获取异质结的探测光衰减曲线，根据探测光衰减曲线获取电声耦合寿命，根据电声耦合
寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取等离子攻击时间，根据等离子攻击时间获取缺陷浓
度，实现了利用飞秒瞬态吸收成像技术，基于“缺陷‑电声耦合”作用机理，检测二维材料异
质结界面原子级缺陷。

[0080] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测装置，所述探测处理模块10在用于利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进行探测，获取
探测光衰减曲线之前，还用于：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二
维异质结进行探测，获取在预设不同等离子攻击时间下的所述探测光衰减曲线；分别根据
所述在预设不同等离子攻击时间下的所述探测光衰减曲线获取所述预设不同等离子攻击
时间对应的所述电声耦合寿命；根据所述预设不同等离子攻击时间及对应的所述电声耦合
寿命获取所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线。

[0081] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置，通过获取不同等离子攻击时间下的探测光衰减曲线，根据不同等离子攻击时间下的探测光衰减曲线获取电声耦合寿命与
等离子攻击时间的关系曲线，为实现缺陷浓度探测提供基础。

[0082] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测装置，所述电声耦合寿命的计算公式为：

[0083]

[0084]

[0085] 其中，τ表示电声耦合寿命；t表示时间变量；ΔT表示有无泵浦光两种条件下，探测光通过所述二维异质结的透射光的强度的差值；T0表示没有泵浦光条件下，探测光通过所
述二维异质结的透射光的强度；Δn表示有无泵浦光两种条件下，所述二维异质结中激子浓
度的差值，表示被激发的激子浓度；ns表示激子饱和浓度；NC表示电子有效态密度；EC表示
TMDC材料的导带底；EF表示石墨烯的费米能级；kB表示玻尔兹曼常数；Tam表示室温；Te(t)表
示TMDC材料中电子在t时刻时的温度；Te，0表示TMDC材料中电子被激发时的初始温度。

[0086] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置，通过给出电声耦合寿命的计算公式，实现了电声耦合寿命的准确计算。

[0087] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测装置，所述装置还包括缺陷类型获取模块，所述缺陷类型获取模块用于：根据预先标定好的拉曼强度比随等离子攻击
时间的变化曲线获取石墨烯的临界等离子攻击时间；其中，所述临界等离子攻击时间是石
3
墨烯的SP类型缺陷和空位类型缺陷的转折点；比较所述电声耦合寿命对应的所述等离子
攻击时间与所述临界等离子攻击时间；若所述等离子攻击时间小于所述临界等离子攻击时
3
间，则石墨烯的缺陷类型为SP 类型；若所述等离子攻击时间大于所述临界等离子攻击时
间，则石墨烯的缺陷类型为空位类型。

[0088] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置，通过根据预先标定好的拉曼强度比随等离子攻击时间的变化曲线获取石墨烯的临界等离子攻击时间，根据石墨烯的临界
等离子攻击时间判断缺陷类型，提高了缺陷检测的能力。

[0089] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测装置，所述缺陷类型获取模块用于：根据预先标定好的拉曼强度比随所述缺陷浓度的变化曲线获取石墨烯的临界缺陷
3
浓度；其中，所述临界缺陷浓度是石墨烯的SP 类型缺陷和空位类型缺陷的转折点；比较所
述缺陷浓度与所述临界缺陷浓度；若所述缺陷浓度小于所述临界缺陷浓度，则石墨烯的缺
3
陷类型为SP 类型；若所述缺陷浓度大于所述临界缺陷浓度，则石墨烯的缺陷类型为空位类
型。

[0090] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置，通过根据预先标定好的拉曼强度比随缺陷浓度的变化曲线获取石墨烯的临界缺陷浓度，根据石墨烯的临界缺陷浓度判断
缺陷类型，提高了缺陷检测的能力。

[0091] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测装置，所述拉曼强度比包括ID/IG或I2D/IG；其中，ID表示缺陷相关的拉曼峰D峰的强度，IG表示拉曼峰G峰的强度，I2D表示
拉曼峰2D峰的强度。

[0092] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置，通过利用ID/IG或I2D/IG进行拉曼强度比的标定，提高了灵活性。

[0093] 根据本发明提供的一种二维异质结材料界面缺陷检测装置，所述TMDC材料包括WS2。

[0094] 本发明提供的二维异质结材料界面缺陷检测装置，可以实现石墨烯和WS2构成的二维异质结的缺陷探测。

[0095] 图18是本发明提供的电子设备的结构示意图，如图18所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)1810、通信接口(Communications Interface)1820、存储器(memory)
1830和通信总线1840，其中，处理器1810，通信接口1820，存储器1830通过通信总线1840完
成相互间的通信。处理器1810可以调用存储器1830中的逻辑指令，以执行二维异质结材料
界面缺陷检测方法，该方法包括：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的
二维异质结进行探测，获取探测光衰减曲线；根据所述探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；
根据所述电声耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取所述电声
耦合寿命对应的所述等离子攻击时间；根据所述等离子攻击时间获取缺陷浓度。

[0096] 此外，上述的存储器1830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本
发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以
软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以
使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施
例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，
Read‑Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种
可以存储程序代码的介质。

[0097] 另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序
指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的二维异质结材料界面缺陷检测
方法，该方法包括：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进
行探测，获取探测光衰减曲线；根据所述探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；根据所述电声
耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取所述电声耦合寿命对应
的所述等离子攻击时间；根据所述等离子攻击时间获取缺陷浓度。

[0098] 又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的二维异质结材料界面缺陷检测
方法，该方法包括：利用飞秒瞬态吸收成像系统对石墨烯和TMDC材料构成的二维异质结进
行探测，获取探测光衰减曲线；根据所述探测光衰减曲线获取电声耦合寿命；根据所述电声
耦合寿命和所述电声耦合寿命与等离子攻击时间的关系曲线获取所述电声耦合寿命对应
的所述等离子攻击时间；根据所述等离子攻击时间获取缺陷浓度。

[0099] 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单
元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其
中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性
的劳动的情况下，即可以理解并实施。

[0100] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上
述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该
计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指
令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施
例或者实施例的某些部分所述的方法。

[0101] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。