一种用于二维材料精确转移的装置的制作方法

本发明属于精密仪器技术领域，具体而言涉及一种用于二维材料精确转移的装置。

背景技术：

二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料。可以由单层或几个原子层组成，电子只在层内运动。这类材料在原子层平面内通过较强的化学键键合，而原子层之间则通过较弱的范德华力耦合。独特的结构使二维材料有着优于传统材料的多种物理性能，在界面科学、纳米电子器件、润滑材料等领域都具有广阔的应用前景。常见的二维材料有石墨烯、黑磷、二硫化钼和二硒化钨等。其中最具代表性的是石墨烯，2004年首次被gaim和novoselov从石墨中分离获得，随后因其优异的机械、电学性能，很快引起了科学界的广泛关注。在二维材料的研究中，材料的合成及组装是材料性能研究和器件制作的前提。到目前为止，已经有多种方法被应用于制备单层、多层纳米二维材料。实验室条件下最常用的方法是机械剥离法，该方法的优点是操作简单，成本低，而且获得的样品表面干净完整，样品质量高，缺点是样品的尺寸和厚度难以精确控制，随机性大。其操作过程可分为三个步骤：一、使用胶带从块状材料上剥离出二维材料薄片，然后多次对折胶带减薄二维材料；二、将胶带上的二维材料转移至聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)薄膜上，并使pdms薄膜的另一面与载玻片粘合；三、从pdms薄膜上选取符合条件的二维材料，然后将选中的二维材料转移至基底的指定位置。上述步骤中，第三步最为复杂和关键，第三步详细的操作流程为：首先借助光学显微镜观察黏附在pdms薄膜上的二维材料，从中筛选出符合条件的样品；然后移动载玻片将粘有目标材料的pdms薄膜放置在基底的上方，并与基底的目标位置对准，向下按压载玻片，直至pdms薄膜与基底粘合，保持两者位置不变，加热基底几分钟时间以降低pdms粘性；最后抬起载玻片，二维材料就吸附到基底的表面了。

为实现步骤三中的功能，人们研发出了相应的材料转移装置。但现有的转移装置多为实验室临时搭建，其设计和结构存在不合理、欠完善之处，会导致操作困难，转移位置精度低等问题。现有的转移装置使用弹簧夹片将载玻片一端夹住，而使粘有pdms薄膜的一端悬空，当把载玻片上粘有pdms薄膜的一端压在基底上时，由于弹簧夹片的夹持力不足，会造成压合不充分，使得二维材料较难吸附在基底上。除此之外，现有的转移装置在移动样品时，定位精度低、重复性差，需要复杂的操作来修正样品的定位误差。

另外，现有装置一般将pdms薄膜与基底平行放置，在压合过程中pdms薄膜上的二维材料会与基底同时接触，容易产生气泡，影响转移效果，且这种平行放置方式无法控制接触面的大小，只能让pdms薄膜与基底重叠的部分全部接触，这会造成过多的目标之外的二维材料转移到基底上，不利于对目标二维材料的后续研究。

除此之外，现有的转移装置对基底的要求也比较严格，当基底有一定倾斜或表面有较大凸起时，将无法完成二维材料的转移。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于二维材料精确转移的装置，该装置使用光学显微镜观察和指导材料的选取和转移过程。

为此，本发明的技术方案如下：

一种用于二维材料精确转移的装置，包括：光学显微镜、基底定位平台和样品定位平台，其中，

所述基底定位平台包括：第一三维精密平移台以及固装在该第一三维精密平移台上的恒温加热台，在所述恒温加热台上放置有一基底；

所述光学显微镜位于所述基底定位平台的上方，用于观察所述基底；

所述样品定位平台包括：载玻片夹持器、精密摆动平台、精密旋转台和第二三维精密平移台，所述第二三维精密平移台位于所述第一三维精密平移台的一侧，所述精密旋转台和精密摆动平台从下至上固装在所述第二三维精密平移台上，所述载玻片夹持器固装在所述精密摆动平台上，其中，

所述载玻片夹持器包括：旋转臂和压紧块，所述旋转臂靠近所述光学显微镜的一端形成有一腔体，在所述腔体的顶端形成有一通孔，所述压紧块位于所述腔体内，一高头滚花螺钉的下端从所述通孔伸入至所述腔体内并与所述压紧块固装，所述高头滚花螺钉与所述通孔的内壁螺纹连接，所述腔体远离所述精密摆动平台的侧面形成有开口，以使载玻片的一端从所述开口伸入至腔体内并被所述压紧块压紧固装，所述载玻片另一侧的下表面粘接有pdms薄膜；

所述精密摆动平台用于驱动所述载玻片向下倾斜，以使该载玻片与水平面形成一5～10°的夹角；

所述精密旋转台用于驱动所述旋转臂在水平方向旋转。

在上述技术方案中，所述基底定位平台和样品定位平台固装在一基座上。

在上述技术方案中，所述基底通过耐高温胶带粘接在所述恒温加热台上。

在上述技术方案中，所述精密摆动平台和精密旋转台之间固装有一第一连接件。

在上述技术方案中，在所述精密旋转台和第二三维精密平移台之间固装有一第二连接件。

在上述技术方案中，在所述压紧块的底端下安装有一橡胶垫。

在上述技术方案中，在所述旋转臂上形成有减重孔，用于减轻所述旋转臂的重量。

相比于现有技术，本发明的装置的有益效果为：

1.样品的选择和转移过程，都在光学显微镜的视场中完成，操作精确度高。

2.载玻片安装和拆卸方便，夹持牢固。

3.选用精密旋转台，在转动样品时提供精准的转向定位。

4.精密摆动台提供样品相对于基底的向下倾角，使样品能更加容易和精确地转移到样品的指定区域，并扩大了对基底的适用范围。

5.结构紧凑，机械磨损小，长期使用仍能保证较高的精确度。

附图说明

图1为本发明用于二维材料精确转移的装置的结构示意图；

图2为图1中圆形框内的局部放大图；

图3为本发明用于二维材料精确转移的装置的立体结构示意图；

图4为本发明装置中载玻片夹持器的立体结构示意图；

图5为本发明装置中载玻片夹持器的剖视图。

其中，1为光学显微镜，2为基底定位平台，2-1为第一三维精密平移台，2-2为恒温加热台，3为样品定位平台，3-1为载玻片夹持器，3-1-1为旋转臂，3-1-2为压紧块，3-1-3为高头滚花螺钉，3-1-4为开口，3-2为精密摆动平台，3-3为第一连接件，3-4为精密旋转台，3-5为第二连接件，3-6为第二三维精密平移台，4为基座，5为pdms薄膜，6为载玻片，7为基底。

具体实施方式

在本发明的具体实施方式中，光学显微镜1采用navitar公司zoom7000组合镜头模块和三丰公司的长工作距离物镜mplanapo20×，其工作距离为20mm，放大倍数为20。

第一三维精密平移台2-1采用西格玛公司的xyz手动平台tsd-1005c，其x、y轴方向行程为±12.5mm，z轴方向行程为±10mm，位移分辨力为2.5um。

恒温加热台2-2采用antaix公司的分体式数显恒温加热平台，其温度范围为：0～250℃，温度分辨力为0.1℃。

第二三维精密平移台3-6采用西格玛公司的xyz手动平台tsd-655c，其x、y轴方向行程为±6.5mm，z轴方向行程为±5mm，位移分辨力为2.5um。

精密旋转台3-4采用西格玛公司的水平转台ksp-606m，其行程为360°，角度分辨力为55.8”。

精密摆动平台3-2采用西格玛公司的摆动平台goht-40a-s，其角度范围为±11°，螺距为0.9°。

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图1～5所示，包括：光学显微镜1、基底定位平台2和样品定位平台3，其中，基底定位平台2和样品定位平台3固装在一基座4上。

基底定位平台2包括：第一三维精密平移台2-1以及固装在该第一三维精密平移台2-1上的恒温加热台2-2，在恒温加热台2-2上通过耐高温胶带粘接有一基底7；

光学显微镜1位于基底定位平台2的上方，用于观察基底7；其中，第一三维精品平移台驱动恒温加热台及其上的基底相对于光学显微镜1运动，实现对基底的观测、定位和目标位置的选取等功能。

样品定位平台3包括：载玻片夹持器3-1、精密摆动平台3-2、精密旋转台3-4和第二三维精密平移台3-6，第二三维精密平移台3-6位于第一三维精密平移台2-1的一侧，精密旋转台3-4和精密摆动平台3-2从下至上固装在第二三维精密平移台3-6上，载玻片夹持器3-1固装在精密摆动平台3-2上，第二三维精密平移台驱动精密旋转台、精密摆动台和载玻片夹持器相对于光学显微镜1运动，实现样品的观测、筛选和定位等功能。其中，载玻片夹持器3-1包括：旋转臂3-1-1和压紧块3-1-2，旋转臂3-1-1靠近光学显微镜1的一端形成有一腔体，在腔体的顶端形成有一通孔，压紧块3-1-2位于腔体内，一高头滚花螺钉3-1-3的下端从通孔伸入至腔体内并与压紧块3-1-2固装，高头滚花螺钉3-1-3与通孔的内壁螺纹连接，腔体远离精密摆动平台3-2的侧面形成有开口3-1-4，以使载玻片6的一端从开口3-1-4伸入至腔体内并被压紧块3-1-2压紧固装，载玻片6另一侧的下表面粘接有pdms薄膜5。

精密摆动平台3-2用于驱动载玻片6向下倾斜，以使该载玻片6与水平面形成一5～10°的夹角，可以精确的调节pdms5薄膜上的样品与基底接触时的倾角。精密旋转台3-4用于驱动旋转臂3-1-1在水平方向旋转，可精确的将样品移入或移出光学显微镜1的视场。

安装载玻片时，首先松开高头滚花螺钉，使压紧块上移，可轻松地将载玻片没有样品的一端插入压紧块与腔体下端的上表面之间，然后拧紧高头滚花螺钉，使压紧块下移，将载玻片牢固地压在旋转臂内。通过旋转高头滚花螺钉即可完成载玻片的安装或拆卸。

作为优选，在压紧块3-1-2的底端下安装有一橡胶垫，橡胶垫可有效防止载玻片6被夹坏和刮花。

作为优选，在旋转臂3-1-1上形成有减重孔(图中未示出)，可以在不影响机械性能的条件下有效减小旋转臂3-1-1的重量。

作为优选，精密摆动平台3-2和精密旋转台3-4之间固装有一第一连接件3-3。

作为优选，在精密旋转台3-4和第二三维精密平移台3-6之间固装有一第二连接件3-5。

本发明装置的使用方法，包括：

步骤1，将粘有二维材料的pdms薄膜粘在载玻片的一端，然后将载玻片的另一端固定在载玻片夹持器上，并使粘有二维材料的一面朝下。

精密旋转台水平转动，以使pdms薄膜进入光学显微镜1的视场。调整精密摆动台，使样品水平，以方便筛选。调整第二三维精密平移台，在pdms薄膜上寻找合适材料，找到后转动精密旋转台将其移出视场。

步骤2，控制第一三维精密平移台，使恒温加热台上的基底进入光学显微镜的视场，选择基底上合适的位置作为目标转移位置并调节其到视场中心。控制第一三维精密平移台，使基底向下移出焦平面，水平方向保持不动。

步骤3，转动精密旋转台，以使样品(二维材料)重新回到视场下并调节其至视场中心，调整精密摆动台使样品与基底4有一个5～10°左右的向下倾角。之后控制第一三维精密平移台缓慢上升，使基底逐渐靠近样品。光学显微镜视场下会出现基底与样品的模糊重合像，并开始出现pdms薄膜与基底的粘合边界。边界会逐渐扩展至完全覆盖选中的样品，此时停止第一三维精密平移台的抬升并使其保持此高度。

步骤4，打开恒温加热台，在50～60℃下加热基底五分钟左右，以降低pdms薄膜的粘性。之后抬起载玻片，并将其旋转出光学显微镜的视场，然后观察基底上的样品是否已被成功吸附。

本发明装置结构紧凑，在光学显微镜的辅助观测下，可高效地完成二维材料的精确转移。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。