石墨烯片层尺寸测量方法优化

石墨烯粉体材料在溶剂中的分散性、形状、尺寸及分布对提高石墨烯材料产品导电、导热、强度、硬度等方面性能极为重要。与传统样品分散在分散液中为类球形或类线形相比，石墨烯粉体材料在溶液中为不规则片状，并且在x和y轴方向的尺寸远远大于z轴方向的尺寸，这使得动态光散射仪、激光颗粒仪等仪器不适用于此类材料尺寸、形状的测量。扫描电镜可以直接观察石墨烯材料的形状和尺寸，但是用什么参数描述形状和尺寸及其分布就成为急需解决的问题。笔者针对这些问题开展了初步研究，接下来介绍研究思路和部分成果，希望可以为研究者提供参考。

（1）样品制备

用分析天平称取0.002g氧化石墨烯粉末，把粉末装入15mL离心管中，然后向离心管中加满无水乙醇，盖好离心管盖，用涡旋振荡器振荡10min，得到分散液，然后把分散液放入超声清洗仪中超声分散3min。利用溅射沉积法在单晶硅片上生长一层5nm左右厚的金薄膜，然后把氧化石墨烯分散液滴到生长有金薄膜的单晶硅片上，待其自然干燥，得到分散的氧化石墨烯样品。

（2）测量过程

依据6.1.1小节对扫描电镜进行校准。把制备好的氧化石墨烯样品放入校准后的扫描电镜，选择合适的加速电压和工作距离，拍摄氧化石墨烯样品的扫描电镜图像，在不同放大倍率下获得的电子图像的像素数不同。例如，对于一幅2048像素×1536像素的图像，2μm的标尺包含105个像素，单位像素尺寸是（2/105）微米/像素；对于一幅3072像素×2304像素的图像，2μm的标尺包含159个像素，单位像素尺寸是（2/159）微米/像素。在此基础上，可以计算出每个石墨烯片层的尺寸。如图6-9（a）所示，从图中可见氧化石墨烯片层分散性较好、形状清晰。

图6-9　氧化石墨烯片层的扫描电镜图像及尺寸计算过程和结果

（a）氧化石墨烯片层的扫描电镜图像；（b）图像衬度处理；（c）ImageJ软件识别氧化石墨烯片层图像；（d）氧化石墨烯片层的尺寸计算结果

（3）数据分析

从图6-9（a）中可以看出，石墨烯片层的形状有条形、方形、近圆形及其他不规则形状，虽然对于圆形和类圆形的形状和尺寸可以用直径和等效直径等参数进行描述，但是由于石墨烯片层具有二维平面结构及复杂多变的形状和尺寸，需要使用更合适的参数对石墨烯片层形貌、大小及其分布进行描述和定义，并提供数据分析方法。

目前，这项工作正在进行中，已经取得部分成果。在参考颗粒形状、尺寸参数描述的基础上，筛选适合描述二维片层形状、尺寸的参数[4]。对描述参数的要求如下：一是参数尽可能少而能让用户充分了解描述的形状、尺寸和分布，二是参数便于分析计算。表6-5介绍了描述片层图形的参数。分析12个图形参数可以看出，面积可以用于表达二维片层尺寸大小，方形度和圆形度可以表达片层接近于圆形或方形的程度，是形状的描述。这三个参数是最基本参数，其他参数将通过继续研究所收集用户意见，以便全面描述二维材料尺寸、形状及分布。

（4）图像处理(www.zuozong.com)

首先要对图像进行裁剪，将电子图像中的标尺和其他标识裁剪掉，因为这些标尺和标识会影响对图像衬度和石墨烯片层尺寸的分析。图6-10（a）中原始图像带有的约10%的标尺图像需要被裁剪掉，剩余约90%的图像见图6-10（b）。随后为了去除图像中的噪声，需要对图像进行高斯过滤处理。高斯过滤是一种线性光滑过滤，对整个图像进行加权平均处理，用于消除高斯噪声。每个像素点的高斯过滤值是通过该点初始像素数和周围点像素数的加权平均得到的。

图6-10　不同处理阶段的石墨烯片层图像

（a）原始图像；（b）裁剪后图像；（c）高斯过滤后图像

图像经高斯过滤后，需要继续进行二值化处理，目的是将图像处理为对比度清晰的黑白色。二值化处理是基于像素数的最大组内方差来区分背景和石墨烯片层。不同的图像有不同的阈值。二值化处理后图像如图6-11（a）所示，前景是白色而背景是黑色。

图6-11　不同处理阶段的石墨烯片层图像

（a）二值化处理后图像；（b）去除小片层后图像；（c）去除不完整片层后图像；（d）最终图像

为了确保图像分析的有效性，需要去除那些像素总数小于1000的石墨烯片层，还需要去除那些位于边界处的不完整的石墨烯片层，如图6-11（b）（c）所示。图6-11（d）是去除小的和不完整的石墨烯片层后获得的最终图像。

对22幅石墨烯片层扫描电镜图像中576个石墨烯片层进行分析，得到的数据分析结果如表6-6所示。这些石墨烯片层的平均面积约为1.9634μm2，平均方度和平均圆度都在0.5左右，这表明这些石墨烯片层的形状与圆形或矩形相差甚远。由此可见，面积、方度、圆度这三个参数足够描述二维片层的尺寸和形状。