一個來自美國威廉瑪麗學院的博士畢業生在檢測石墨烯時靈感大發，用最常見的光學顯微鏡設備和圖片處理軟件創新出一種巧妙的檢測技術，得到導師的高度評價，正在廣泛推廣。他們的技術相比現有石墨烯檢測技術，設備簡單，成本降低到十分之一，檢測速度也快上十倍，它的出現使消費品級石墨烯產品大規模生產向前邁進一大步。

    這項工作由博士畢業生Will Dickinson和他的導師Hannes Schniepp一起完成，他們的實驗室擁有一些世界上最精密的實驗設備，但是石墨烯的尺度太小了，較大一片直徑才堪堪幾微米。他們平時是用原子力顯微鏡（AFM）進行材料分析，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。

博士畢業生Will Dickinson和Hannes Schniepp教授在實驗室中制出的石墨烯樣品。（來源：Joseph McClain）

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

    科學家們一直試圖制備出單層的石墨烯薄片來制造飛機機身或半導體，但將這些如此小的納米級石墨烯薄片組裝起來也面臨著很多挑戰。因為從這些微小的薄片到最后構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，所以我們首先應該想出一種較好的技術來制備他們。

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

    事實上，石墨烯已開始進入消費品領域，Dickinson博士就有一對帶石墨烯膜的耳機，Schniepp教授也說大型產品如網球拍框架距離市場大約五年時間。大規模生產石墨烯的最重要的是質量控制，這也是Schniepp教授和Dickinson博士的成果最有意義的地方。

    Schniepp教授說：“石墨烯的層數很重要，不同層數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，這項工作電子顯微鏡就可以完成，但任何接近工業規模的石墨烯生產都需要相對快速的分析過程，所以處于這種思考，我們不能用數百萬美元的儀器。”

    于是他們決定嘗試使用一些質量很好的光學顯微鏡， “你幾乎可以在每個研究實驗室，甚至是教學實驗室里找到它。” Schniepp說。

    但實際上，光學顯微鏡在納米技術應用中使用最少，因為達不到那么高的分辨率。石墨片它非常薄，幾乎沒有光學對比度，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，因為原子力顯微鏡最多與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。”

    他在光學鏡頭下面放了一些石墨烯片，看到了大量工程師和科學家之前看到的情況，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，如果他從光學顯微鏡下拍攝石墨烯圖像，并通過AFM圖片處理功能修正，會發生什么？他認為這值得一試。于是他將這個光學圖像導出到一個文本文件中，并將其導入AFM軟件中使用這些技術。突然間，他清晰地看到很多層石墨烯。

    他努力地改進這項技術，但仍然不敢確定自己的成就，直到他和Schniepp教授在一次會議上向康涅狄格大學合作者Douglas Adamson證明了這一過程。“當我們把它展示給Adamson教授時，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。

    在這次會議上獲得意外的認可，讓他們非常高興。他們課題內容相關的海報也吸引了一群激動人心的工程師和科學家，Dickinson博士開心地說，當時他們快被人群淹沒了，成了全場的焦點。

    也難怪他們的海報引起了如此多的關注。Schniepp教授估計，他們的技術比現在使用的石墨烯檢測技術便宜10倍，檢測速度至少比加快了100倍。這是石墨烯大規模生產邁出的一大。

    Schniepp教授認為大部分的功勞都應該歸Dickinson博士所有，“其中大部分的工作都是Will做完的，我認為如果沒有他，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，以完美的技術完成這項工作，這一切都歸功于他。”

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責任編輯：王元

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