[发明专利]一种用于二维材料薄膜厚度测量的高效光学测量方法

说明书

一种用于二维材料薄膜厚度测量的高效光学测量方法。属于基于薄膜干涉效应的色彩计算以及图像处理技术领域。本发明方法包括在指定标准条件下基底与不同厚度待测二维材料薄膜的色彩计算过程，以及后续基于指定标准条件下色彩计算结果为标准，对实际成像结果的校准过程。本发明方法具有效率高、可靠性强、适用范围广的优点。

技术领域

本发明涉及一种基于薄膜干涉效应的色彩计算以及图像处理技术领域，具体涉及的一种用于二维材料薄膜厚度测量的高效光学测量方法。

背景技术

各类二维材料，如石墨烯、六方氮化硼、以二硫化钼与二硫化钨为代表的过渡金属二硫族属化物以及黑磷等，因其优异的光电以及机械性能逐渐进入人们的视野。二维材料的厚度与其物理性质有紧密联系，所以二维材料样品的厚度表征是最为重要与常见的测量项目。

目前，最常见的二维材料厚度精确表征方法是原子力显微镜与拉曼光谱。但是，由于原子力显微镜与拉曼光谱测量成像较慢，效率较低，设备较为昂贵，样品对基底有一定的敏感性，因此这些方法尚需改进。

不同厚度的二维材料在常用的基底，如SiO₂/Si基底上，通过光学显微镜可以明显地观测到会呈现不同的色彩，因此可以采用色彩与二维材料的厚度之间的关系对二维材料的厚度进行表征。基于此理论，仅借助带有数码相机的普通光学显微镜，即可完成效率远高于原子力显微镜与拉曼光谱的二维材料厚度测量。然而，在实际操作中，由于目前已有的光学测量方法必须在固定照明光源、相机颜色匹配函数以及其他相关参数设定的情况下进行测量，而这些参数又往往因不同测量情况而异并且难以确定；此外，即便可以确定光源与相机颜色匹配函数，大部分数码相机还会对图像自动处理，这使得固定光源等外界因素变得没有实际意义，因此现有的光学测量方法并不适用于所有的测量条件，难以运用于实际实验与生产。考虑到已知氧化物镀层厚度的基底的颜色是可以被提前计算的，故可以通过参考基底实际色彩的偏差对整体图像的色彩进行校准，得到近似于指定标准条件下的成像结果，进而将校准后的图像运用于二维材料的厚度测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有二维材料薄膜厚度常用测量手段的低效、光学测量方法的低可靠性的问题，提出了一种用于二维材料薄膜厚度测量的高效光学测量方法。

一种用于二维材料薄膜厚度测量的高效光学测量方法，在指定标准条件下基底与不同厚度待测二维材料薄膜的色彩计算过程，以及后续基于指定标准条件下色彩计算结果为标准，对实际成像结果的校准过程。

优选地，所述测量方法通过以下步骤实现：

步骤一、指定标准条件，将照明光源的光谱功率分布与相机或观测者的颜色匹配函数作为标准条件下的固定参数；

步骤二、通过薄膜干涉造成的反射率光谱，计算相应不同厚度的待测二维材料薄膜的理论色彩，将其作为标准条件下基底以及不同厚度；并将理论色彩由CIE XYZ色彩空间转化为CIE Lab色彩空间；

其中，通过薄膜干涉造成的反射率光谱，计算相应不同厚度的待测二维材料薄膜的理论色彩，具体为：通过作为固定参数的照明光源的光谱功率分布与相机或观测者的颜色匹配函数积分或离散数值的加权求和得到相应的在CIE XYZ色彩空间内的理论色彩；

步骤三、求取CIE Lab色彩空间内的基底的色彩与不同厚度的待测二维材料薄膜的色彩的色差，将求取的色差作为两者在CIE Lab色彩空间中坐标的距离；

步骤四、选取待测二维材料薄膜的实际成像彩色图像中的基底部分，并计算所选取区域的色彩在CIE XYZ色彩空间内的平均值；其中，通过泛洪算法选取实际光学显微镜成像所得彩色图像中的基底部分；