各位好，从本期开始，我们开始进入晶圆级碳纳米管的相关测试与应用相关专题。

本专题一共分为四部分，分别是：

1．拉曼光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中的重要性

2．荧光光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中的重要性

3．辐照损伤对晶圆级碳纳米管的影响及其光谱检测方法

4．晶圆级碳纳米管的未来应用展望与挑战

今天和大家分享的是第一辑：拉曼光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中的重要性。

引言

拉曼光谱技术是一种基于拉曼散射原理的无损检测技术，广泛应用于材料科学、纳米技术、化学分析和生物医学等领域。拉曼散射现象是指光子与物质相互作用时，光子能量发生改变并散射出与入射光不同频率的光。拉曼光谱能够提供材料的化学组成、分子结构、晶体对称性和缺陷等信息，因此在材料表征中具有重要价值。

碳纳米管作为一种新型的纳米材料集成形式，近年来在电子器件、复合材料和传感器等领域展现出巨大的应用潜力。 有别于硅基芯片是晶体管的二维集成，碳基芯片能实现晶体管的三维构成，达到更高的集成度，在理论上具有更高的性能潜力。

碳纳米管材料可以分为如图1所示三种类型 ：单根碳纳米管、薄膜碳纳米管（Network CNTs）和阵列碳纳米管（Align CNTs），基于三种材料分别有如图1（d）-（f）所示的MOSFET。单管常见于早期科学原理性验证，2003年，Ali Javey等人首次利用金属钯（Pd）接触实现无掺杂的欧姆接触p型碳纳米管晶体管制备，开发出金属与碳纳米管的无掺杂技术。

图1. 不同种类碳纳米管材料和MOSFET： (a)单根碳纳米管； (b)网状碳纳米管； (c) 阵列碳纳米管；(d)单管MOSFET；(e)网状碳管MOSFET；(f)阵列碳管MOSFET

晶圆级碳纳米管，是指将大量的碳纳米管以某种方式排列或集成在基底上，形成具有一定结构和功能的薄膜或阵列。这种材料不仅继承了碳纳米管的优异性能，还通过集成化提高了其在实际应用中的可操作性和性能稳定性。

例如最受关注的是阵列碳纳米管材料，2020年，北京大学Lijun Liu等人利用维度自限制法（Dimension limited self‐alignment，DLSA）首次实现高密度（100~200根/微米）和高纯度（半导体纯度99.999 9%）的晶圆级高质量阵列碳纳米管制备，为碳纳米管材料在高性能集成电路的应用奠定了基础。

目前见诸报道的晶圆级碳纳米管制作包括溶液法和CVD法，也有引入了一些表面活性剂增强表面的均匀性，我们在此不多做赘述。

对于晶圆级碳纳米管的表征，例如比较典型的碳纳米管薄膜密度这一重要特征，就可以采用AFM和SEM进行表征，我们在本期专题中，依据我司的相关经验，主要是关注诸如手性，均匀性，厚度，光电性能，应力等与光谱学相关的表征。

图2. 碳纳米管在光电领域的应用 (a) 碳纳米管级联光电器件结构示意图；(b) 碳纳米管光电集成电路示意图。

本文旨在探讨拉曼光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中的重要性，分析其在材料表征、缺陷检测、性能评估以及应用研究等方面的应用，并结合实际案例说明其在现代纳米材料科学研究和工业生产中的不可替代性。

图3. 碳纳米管手性的识别方法 (a) TEM，标尺：2 nm；(b) 吸收光谱；(c) 荧光光谱

；(d) 瑞利散射光谱；(e) 拉曼光谱

拉曼光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中的应用

晶圆级碳纳米管的结构表征

碳纳米管的结构表征是理解其性能的基础，拉曼光谱能够提供碳纳米管的直径、手性和电子结构等信息。

径向呼吸振动模（RBM）：RBM是单壁碳纳米管（SWNTs）的特征峰之一，其频率与碳纳米管的直径成反比关系。

通过拉曼光谱测量RBM峰的频率，可以精确计算出碳纳米管的直径。例如，RBM峰的频率在150-300 cm-1之间，对应的碳纳米管直径约为0.8-1.6纳米。

G带和G'带：G带（约1580 cm-1）和G'带（约2600 cm-1）是碳纳米管的特征峰，反映了碳纳米管的石墨化程度和电子结构。G带的位置和宽度可以用于区分半导体型和金属性碳纳米管。例如，半导体型碳纳米管的G带通常较宽，而金属性碳纳米管的G带则较窄。

碳纳米管阵列取向偏差角与均匀性测试：通常表征碳纳米管阵列偏差角的方法主要包  拉曼光谱法，利用不同角度的偏振光下，碳纳米管Ｇ峰强度的变化，分析出测试光斑下 阵列的取向角度偏差，然后再根据偏差计算均匀性。

缺陷检测

拉曼光谱技术可以用于检测晶圆级碳纳米管中的缺陷和杂质。缺陷和杂质的存在会显著影响碳纳米管的拉曼光谱特征。

• D带分析：D带（约1350 cm-1）是碳纳米管中的缺陷特征峰。D带的强度与材料中的缺陷密度成正比。通过测量D带与G带的强度比ID/IG，可以定量评估晶圆级碳纳米管中的缺陷密度。例如，ID/IG比值越高，材料中的缺陷密度越大。

• 缺陷类型识别：拉曼光谱还可以识别碳纳米管中的缺陷类型。例如，不同类型的缺陷（如空位、替换原子或边缘缺陷）会在拉曼光谱中产生不同的特征峰。通过分析这些特征峰的位置和形状，可以进一步了解缺陷的性质。

性能评估

拉曼光谱技术可以用于评估晶圆级碳纳米管的性能，包括其在电子器件、传感器和光电器件中的应用潜力。

• 电子器件性能评估：在晶圆级碳纳米管中，拉曼光谱可以用于评估其在场效应晶体管（FETs）中的性能。通过分析G带和G'带的变化，可以了解碳纳米管的载流子迁移率和电荷陷阱密度。

• 传感器性能评估：拉曼光谱可以用于评估晶圆级碳纳米管在气体传感器、生物传感器和化学传感器中的性能。例如，当晶圆级碳纳米管暴露于特定气体或生物分子时，其拉曼光谱会发生变化。通过监测这些变化，可以评估传感器的灵敏度和选择性。

• 光电器件性能评估：在光电器件中，拉曼光谱可以用于评估晶圆级碳纳米管的光电性能。例如，通过分析G带和G'带的变化，可以了解晶圆级碳纳米管的光吸收效率和载流子复合率。

应变测量

应变对碳纳米管的物理性质有显著影响，拉曼光谱可以通过测量特征峰的位置变化来检测晶圆级碳纳米管中的应变分布。

• G带和G'带的偏移：当碳纳米管受到应变时，G带和G'带的位置会发生偏移。通过分析这些偏移量，可以定量计算晶圆级碳纳米管中的应变大小和方向。例如，G带的偏移量约为10 cm1/%应变。

• 应变分布成像：结合共聚焦拉曼光谱技术，可以实现对晶圆级碳纳米管中应变分布的成像。通过扫描样品表面并记录拉曼光谱的变化，可以获得应变分布的二维图像。

拉曼光谱技术的优势

无损检测

拉曼光谱技术是一种无损检测方法，不需要对样品进行破坏性处理。这对于高价值材料（如晶圆级碳纳米管）的检测尤为重要。拉曼光谱技术可以在不接触样品的情况下，通过非接触式光学测量获取样品的内部信息，从而实现对样品的无损检测。

高空间分辨率

拉曼光谱技术具有高空间分辨率，能够对微小区域进行精确分析。结合共聚焦显微镜技术，拉曼光谱可以实现纳米级的空间分辨率，能够对单根碳纳米管或晶圆级碳纳米管中的微小区域进行分析。这种高空间分辨率使得拉曼光谱技术成为研究纳米材料的理想工具。

快速检测

拉曼光谱技术的检测速度快，适合大规模工业生产中的快速质量控制。例如，在晶圆级碳纳米管的制造过程中，需要对大量的晶圆进行快速检测，以确保每一片晶圆都符合质量标准。拉曼光谱技术可以在短时间内完成对晶圆级碳纳米管的全面检测，提供即时的检测结果。

我司的SR900晶圆级半导体Raman光谱测试系统具备了如下的性能特点和优点：

全晶圆范围激光自动对焦和实时表面跟踪技术，可以实现大面积的快速稳定扫描成像

亚微米级空间分辨的共聚焦光谱技术

智能软件和数据分析算法

插槽式并联光路：可以在一套系统中集成PL/TRPL/Raman/光电流功能

利用这样的系统，可以有效地对晶圆级碳纳米管进行诸如应力等相关测试。

图3. SR900晶圆级半导体Raman光谱 测试系统

图4. 半导体晶圆测试中

结论

拉曼光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中具有重要的应用价值。通过拉曼光谱技术，可以实现对晶圆级碳纳米管的结构表征、缺陷检测、性能评估和应变测量。拉曼光谱技术具有无损检测、高空间分辨率和快速检测等优点，使其成为纳米材料科学研究和工业生产中不可或缺的工具。  

   随着科技的不断进步，拉曼光谱技术将在晶圆级碳纳米管的研究与应用中发挥更大的作用，为推动纳米技术和半导体工业的发展提供重要的技术支持。