一种低维材料转移介质、制备方法及转移方法

1.本发明属于低维材料转移领域，具体涉及一种低维材料转移介质、制备方法及转移方法。背景技术：2.低维材料由于其特征尺寸接近原子极限，在研究中表现出优异的电子、光学和机械性能。如一维纳米线材料，由于其横截面直径可达到纳米级维度，在受限尺度下的量子输运方面表现出奇异特性，可用于量子计算的实验验证；二维半导体材料中，过渡金属二卤族材料因存在可调控的带隙，可用于制备高开关比的晶体管和光电子器件，或应用于自旋电子学研究。3.近年来低维材料的制备技术不断发展，可通过水热法合成一维纳米线或化学气相沉积法等方法制备二维材料薄膜。然而，进一步研究电学测试时，通常需要转移到其他基底上进行，若需研究异质结或纳米线搭接的复杂结构，则同样需要进行低维材料的精确定位转移。4.现阶段成熟的低维材料转移方法，主要可分为湿法转移、机械剥离、电化学转移和干法转移。其中，湿法转移通常采用聚合物作为转移膜，如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma，polymethyl methacrylate)，将涂覆聚合物的低维材料和原始制备基底浸泡在刻蚀液中，刻蚀去除原始制备基底后，用转移目标基底捞出承载低维材料的聚合物薄膜，最后用有机溶剂清洗去除聚合物薄膜，然而大面积的聚合物薄膜难以完全去除，聚合物、基底和刻蚀液离子等残留物将严重影响低维材料电子器件的电学和光学性能。机械剥离法通过胶带等粘性硬质薄膜破坏晶体层间的结合力，将晶体材料减薄为小面积低维二维材料，再通过按压转移到目标基底，但通过机械剥离转移的低维材料位置具有很强的随机性，难以通过单次转移覆盖在指定位置，通常还需要再次精确定位转移。电化学剥离法在原始制备基底表面产生的气泡容易造成低维材料破裂，采用聚合物支撑膜保护同样容易造成残留，影响器件性能。干法转移通常采用弹性基体作为转移介质，如聚二甲基硅氧烷(pdms，polydimethylsiloxane)，弹性基体与低维材料之间通过范德华力粘取，再通过按压转移到目标基底上，可实现无杂质粒子引入的低维材料转移。但传统的干法转移仍存在一些问题，具体包括：一是范德华力作用较弱，粘取低维材料成功率不高，二是弹性基体的延展性较强，受外界压力作用会产生较大的不可控形变，因此在转移过程中向目标基底进行大面积按压时，容易造成低维材料损伤。技术实现要素：5.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种低维材料转移介质、制备方法及转移方法，能够在最小尺度下实现低维材料的精确粘取、定位以及可控转移。6.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：7.第一方面，提供一种低维材料转移介质，包括表面均匀涂覆有pc胶溶液的pdms半球形弹性体，所述的pdms半球形弹性体为混合均匀的pdms与固化剂点涂在载玻片上固化后形成，所述的pc胶溶液由pc颗粒按5％～12％的质量比在有机溶剂中溶解配置形成。8.第二方面，提供一种低维材料的转移介质制备方法，包括以下步骤：9.将pdms与固化剂混合均匀，点涂在载玻片形成半球形液滴；10.对载玻片在50℃～150℃下加热，使半球形液滴固化，形成pdms半球形弹性体；11.将pc颗粒按5％～12％的质量比在有机溶剂中加热搅拌至溶解，配置成pc胶溶液；12.向所述的pdms半球形弹性体表面滴加所述的pc胶溶液，使所述的pc胶溶液均匀涂覆在所述的pdms半球形弹性体表面，形成低维材料的转移介质。13.作为本发明转移介质制备方法的一种优选方案，所述将pdms与固化剂混合均匀的步骤中，pdms与固化剂按照质量比为10:1进行混合。14.作为本发明转移介质制备方法的一种优选方案，所述对载玻片在50℃～150℃下加热的步骤中，加热时长为10min～30min。15.作为本发明转移介质制备方法的一种优选方案，所述将pc颗粒按5％～12％的质量比在有机溶剂中加热搅拌至溶解的步骤中，有机溶剂包括苯甲醚、丙酮、乙醚、n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃以及乙醇，加热温度为80℃，搅拌时长为0.5h～2h。16.作为本发明转移介质制备方法的一种优选方案，在向所述的pdms半球形弹性体表面滴加所述的pc胶溶液的步骤中，将固化了pdms半球形弹性体的载玻片真空吸附固定在旋涂仪上，将pc胶溶液以1000r/min～3500r/min转速旋涂20s～120s。17.第三方面，提供一种低维材料转移方法，包括以下步骤：18.将待转移的低维材料分散液滴在基底上，将基底正面向上固定在光学显微镜载物台上；19.调整光学显微镜载物台的位置，在视野内选择待转移的低维材料，并移动到视野中心；20.将载玻片倒置，保持pdms半球形弹性体所在平面向下，在x-y-z三个方向上调整光学显微镜位移台的位置，使pdms半球形弹性体能够在光学显微镜视野内观察到最低点；21.调节载玻片及光学显微镜载物台，使视野内能够清晰观察到待转移的低维材料；22.对光学显微镜载物台进行加热升温，使pc胶达到最大粘度，向下移动载玻片使pdms半球形弹性体表面的pc胶接触待转移的低维材料；23.当pc胶粘住待转移的低维材料之后升高载玻片，取下光学显微镜载物台上的基底，更换为待转移的目标基底，并将目标基底移动到视野中心；24.向下调整光学显微镜位移台的位置，使pdms半球形弹性体最低点下降到与待转移的目标基底临近接触的位置；25.对载物台加热升温，使pdms半球形弹性体和pc胶的复合结构受热膨胀，直至在视野内观察到pc胶与待转移的目标基底接触；26.持续加热，直至观察到pc胶和待转移的低维材料滴落在待转移的目标基底上；27.去除目标基底上的残留pc胶，完成待转移的低维材料的定位转移。28.作为本发明低维材料转移方法的一种优选方案，所述对光学显微镜载物台进行加热升温，使pc胶达到最大粘度的步骤中，加热升温至50℃～85℃；29.所述使pdms半球形弹性体最低点下降到与待转移的目标基底临近接触的位置时，保持二者之间的垂直距离为0.1mm～0.5mm。30.作为本发明低维材料转移方法的一种优选方案，所述对载物台加热升温，使pdms半球形弹性体和pc胶的复合结构受热膨胀的步骤中，加热升温至100℃～150℃，加热时长为1min～10min；31.所述持续加热，直至观察到pc胶和待转移的低维材料滴落在待转移的目标基底上的步骤中，持续加热时长为10s～300s。32.作为本发明低维材料转移方法的一种优选方案，所述去除目标基底上的残留pc胶的步骤包括：将附着pc胶和待转移的低维材料的目标基底浸泡在丙酮保持1min～10min，取出后再使用乙醇冲洗，去除目标基底上的残留pc胶。33.相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：34.第一，本发明提出的低维材料转移介质粘性高，将pdms作为弹性支撑体，利用旋涂在弹性支撑体表面的pc胶粘性对基底进行剥离，对于在基底表面进行自生长的低维材料和基底与低维材料结合力较强的体系，可以大大提高单次剥离的成功率。第二，利用液态粘度较高的pdms固化制备半球形支撑体，应用于微纳尺度转移时，可以有效缩小接触面积，实现近似“点对点”的精确控制，解决现阶段已有技术难以转移单根纳米线的问题。第三，利用本发明低维材料转移介质受热膨胀的性质，控制低维材料在较小的外界压力下接触转移目标基底，大大减少应力形变对材料的损伤。第四，本发明低维材料转移方法使用pc胶作为粘性剥离层，使用丙酮、乙醇短时间浸泡冲洗即可完全去除，相较于传统常用干法转移介质pmma等，残留物大大减少，且无需长时间浸泡在有机溶剂中，避免低维材料转移后脱落。第五，pc胶融化后通常不会破坏pdms弹性半球体的形貌，且pdms固化后极难溶解于清洗pc胶所用有机溶剂，故清洗去除pc胶后，原有的pdms弹性半球体不会受到破坏，可重复使用，减少了转移介质制备的工作量。最后，本发明方法通过增大pdms弹性球面的面积和减小高度，可推广至二维材料的精确便捷转移，对不同尺度的低维材料转移具有普适性。附图说明35.图1本发明低维材料转移方法一种实施例调整pdms半球形弹性体位置示意图；36.图2本发明低维材料转移方法一种实施例pc胶粘取待转移的低维材料示意图；37.图3本发明低维材料转移方法一种实施例更换待转移的目标基底示意图；38.图4本发明低维材料转移方法一种实施例pdms半球形弹性体精确定位和受热膨胀与待转移的目标基底接触示意图；39.图5本发明低维材料转移方法一种实施例pc胶受热融化脱离pdms半球形弹性体滴落在目标基底上的示意图；40.图6本发明实施例1实现铜纳米线转移到叉指电极上的原子力显微镜图像；41.图7本发明实施例2实现tio2纳米线十字搭接器件的光学显微镜暗场成像；42.图8本发明实施例3实现mos2薄膜转移到单通道电极上的原子力显微镜图像；43.附图中：1-载玻片；2-pdms半球形弹性体；3-pc胶；4-单根纳米线；5-原始基底；6-可控温加热载物台；7-待转移的目标基底。具体实施方式44.下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。45.为了实现低维材料的精确、便捷转移，本发明在传统干法转移的基础上进行了改进。一是将pdms仅作为弹性支撑体，在支撑体表面旋涂聚碳酸酯(pc，polycarbonate)，利用粘性较高的pc胶，而非pdms弹性体的弱粘性以及与材料之间的范德华力，实现原始制备基底上的低维材料便捷剥离，大大提高了剥离步骤的成功率。二是从转移介质中释放低维材料时，利用pc胶受热融化和pdms受热膨胀的性质，使pdms弹性支撑体表面的pc胶和粘取的低维材料在较小的外界压力下接触转移目标基底，加热一段时间后滴落在待转移的目标基底上，最后用有机溶剂完全清除基底上的pc胶，仅在基底上留下低维材料。使用pc胶作为粘性剥离层，相较于传统常用干法转移介质pmma等，残留物大大减少，且无需长时间浸泡在有机溶剂中，避免低维材料转移之后发生脱落。三是剥离和释放材料步骤全程在光学显微镜下进行，通过可三维操控的精密位移台夹持固定转移介质，对准显微镜载物台上的转移目标基底，可成功将低维材料在微纳尺度上实现精确转移。本发明以单根纳米线为例，通过增大pdms弹性球面的面积和减小高度，还可推广至二维材料的精确便捷转移。46.为此，本发明提出一种低维材料转移介质，包括表面均匀涂覆有pc胶溶液的pdms半球形弹性体，所述的pdms半球形弹性体为混合均匀的pdms与固化剂点涂在载玻片上固化后形成，所述的pc胶溶液由pc颗粒按5％～12％的质量比在有机溶剂中溶解配置形成。47.同时，一种低维材料的转移介质制备方法，包括以下步骤：48.将pdms与固化剂混合均匀，点涂在载玻片形成半球形液滴；49.对载玻片在50℃～150℃下加热，使半球形液滴固化，形成pdms半球形弹性体；50.将pc颗粒按5％～12％的质量比在有机溶剂中加热搅拌至溶解，配置成pc胶溶液；51.向所述的pdms半球形弹性体表面滴加所述的pc胶溶液，使所述的pc胶溶液均匀涂覆在所述的pdms半球形弹性体表面，形成低维材料的转移介质。52.作为该转移介质制备方法的一种可选方案，pdms与固化剂按照质量比为10:1进行混合。53.作为该转移介质制备方法的一种可选方案，对载玻片在50℃～150℃下加热10min～30min。54.作为该转移介质制备方法的一种可选方案，将pc颗粒按5％～12％的质量比在有机溶剂中加热搅拌至溶解的步骤中，这里的有机溶剂包括苯甲醚、丙酮、乙醚、n-二甲基甲酰胺、四氢呋喃以及乙醇，对于苯甲醚的加热温度为80℃，搅拌时长为0.5h～2h。55.作为该转移介质制备方法的一种可选方案，在向所述的pdms半球形弹性体表面滴加所述的pc胶溶液的步骤中，将固化了pdms半球形弹性体的载玻片真空吸附固定在旋涂仪上，将pc胶溶液以1000r/min～3500r/min转速旋涂20s～120s。56.对比已有的相近技术，大部分采用单一的pdms作为转移的支撑介质，利用其弱粘性和范德华力作用，将低维材料从原始的制备基底上剥离，再通过低维材料和转移目标基底之间接触产生的范德华力，将pdms上的一部分低维材料大量、无序转移到大致的指定范围内，只能用于统计性的电子学研究，无法应用在低维受限尺度下的电子学研究中。57.总的来说，已有将近技术无法完成在微纳尺度上对低维材料的精确定位转移，如将单根纳米线、指定位置的微米级特征尺寸二维材料等转移到指定位置，与本发明提出的低维材料转移方法在转移介质的结构和转移可操控性、精确性等方面具有本质区别。58.以单根纳米线4为例，如图1至5所示，本发明低维材料转移方法包括以下步骤：59.1.将单根纳米线4的分散液滴在原始基底5上，通常选用抛光硅片等平整洁净的基底。分散液溶剂挥发后的原始基底5或自生长纳米线的原始基底5正面向上，固定在可控温加热载物台6上。可控温加热载物台6通过在光学显微镜载物台上增设可控温的微型加热台组成。60.2.调整可控温加热载物台6的位置，在视野内选择待转移的单根纳米线4，并移动到视野最中心。完成后向下移动可控温加热载物台6约5mm～10mm，便于后续固定载玻片1。61.3.将载玻片1进行倒置，保持pdms半球形弹性体2所在平面向下，无pdms半球形弹性体2的表面固定在光学显微镜一侧的三维精密位移台上，在x-y-z三个方向上调整三维精密位移台的位置，使pdms半球形弹性体2可以在光学显微镜视野内观察到最低点。62.4.通过操控三维精密位移台，将载玻片1向上移动0.1mm～0.5mm，缓慢的上升可控温加热载物台6，使视野内逐渐可以清晰观察到待转移的单根纳米线4。63.5.对可控温加热载物台6上的可控温微型加热台升温至50～85℃，使pc胶3达到最大粘度，向下移动载玻片1使pdms半球形弹性体2上的pc胶3接触单根纳米线4。64.6.将pc胶3粘住单根纳米线4后缓慢升高载玻片1，取下可控温加热载物台6上的原始基底5，更换为待转移的目标基底7，并将转移目标位置移动到视野最中心。65.7.向下移动三维精密位移台，使pdms半球形弹性体2的最低点(即pc胶3粘附单根纳米线4的位置)下降到与待转移的目标基底7即将接触的位置，保持二者之间垂直距离约为0.1mm～0.5mm。66.8.将可控温加热载物台6升温至100℃～150℃，加热约1min～10min，使pdms半球形弹性体2和pc胶3的复合结构受热膨胀，直至在视野内观察到pc胶3与待转移的目标基底7接触。67.9.持续加热10s～300s，直至观察到pc胶3与待转移的目标基底7之间接触面减小，说明pc胶3受热融化脱离pdms半球形弹性体2的表面，pc胶3和待转移的单根纳米线4将滴落在待转移的目标基底7上。68.10.将附着pc胶3和单根纳米线4的基底浸泡在丙酮中1～10min，取出后迅速用乙醇冲洗，即可去除pc胶3残留，完成单根纳米线4的精确定位转移。69.本发明在干法转移基础上，采用聚二甲基硅氧烷(pdms)和聚碳酸酯(pc)双层弹性半球体作为转移介质，提出了一种低维材料精确可控的转移方法，在最小尺度下可实现单根纳米线精确粘取、定位和可控转移。具有聚合物残留少、材料损伤少等优点，以上实施例通过单根一维纳米线材料进行说明，也可通过调整转移介质形态推广至大面积的二维材料转移。70.实施例171.以将铜纳米线转移到叉指电极上为例说明，如图6所示，在载玻片1上加热固化pdms液滴，将聚碳酸酯颗粒按5％的质量比在丙酮中80℃加热搅拌0.5h配置pc胶3，以1500r/min转速旋涂40s覆盖在pdms半球形弹性体2的表面。将水热法合成的铜纳米线用乙醇超声分散，滴在加工有定位标志的硅片上，并固定在可控温加热载物台6上，选择长径比较高的单根纳米线4进行转移。倒置载玻片1固定在三维精密位移台上，调整高度至观察到pdms半球形弹性体2的最低点。上升可控温加热载物台6，加热至50℃，粘取纳米线。使用叉指电极作为待转移的目标基底7，调整pdms半球形弹性体2和待转移的目标基底7之间的高度，使二者即将接触，升温至100℃，加热10min观察到pdms半球形弹性体2和待转移的目标基底7接触。持续加热60s，pc胶3受热融化脱离pdms半球形弹性体2滴落在叉指电极上。将附着pc胶3和单根纳米线4的基底用丙酮和乙醇浸泡清洗，完成单根铜纳米线转移。72.实施例273.以tio2纳米线十字搭接器件为例说明，如图7所示，在载玻片1上加热固化pdms液滴，将聚碳酸酯颗粒按10％的质量比在四氢呋喃中80℃加热搅拌2h配置pc胶3，以2000r/min转速旋涂100s覆盖在pdms半球形弹性体2的表面。将自生长一维tio2纳米线用乙醇超声分散，滴在硅片上并固定在可控温加热载物台6上，选择长径比较高的单根纳米线4进行转移。倒置载玻片1固定在三维精密位移台上，调整高度至观察到pdms半球形弹性体2的最低点。上升可控温加热载物台6，加热至60℃，粘取纳米线。更换为待转移的目标基底7，调整pdms半球形弹性体2和待转移的目标基底7之间的高度，使二者即将接触，升温至120℃，加热5min，观察到pdms半球形弹性体2和待转移的目标基底7接触。持续加热40s，pc胶3受热融化脱离pdms半球形弹性体2表面，滴落在待转移的目标基底7上的另一根tio2纳米线表面。将附着pc胶3和单根纳米线4的基底用丙酮和乙醇浸泡清洗，完成转移实现两根tio2纳米线搭接，之后在基底上加工电极制备tio2纳米线十字搭接器件。74.实施例375.以mos2薄膜转移到单通道电极上为例进行说明，如图8所示，在载玻片1上加热固化pdms液膜，将聚碳酸酯颗粒按10％的质量比在乙醚中80℃加热搅拌1h配置pc胶3，以3000r/min转速旋涂60s覆盖在pdms半球形弹性体2的表面。将生长有二维mos2的硅片固定在可控温加热载物台6上。倒置载玻片1固定在三维精密位移台上，调整高度至观察到pdms半球形弹性体2的底面。上升可控温加热载物台6，加热至70℃，粘取二维薄膜。将基底更换为加工有叉指电极的硅片，调整pdms半球形弹性体2和待转移的目标基底7之间的高度，使二者即将接触，升温至140℃，加热1min观察到pdms半球形弹性体2与叉指电极接触。持续加热20s，pc胶3受热融化脱离pdms半球形弹性体2滴落在电极上。将附着pc胶3和二维mos2薄膜的叉指电极基底用丙酮和乙醇浸泡清洗，完成二维mos2薄膜转移。76.本发明方法广泛适用于一维纳米线和二维薄膜等低维材料的精确、便捷转移，可实现最小规模为单根纳米线材料的可靠可控转移。在传统的干法转移基础上，将聚二甲基硅氧烷(pdms，polydimethylsiloxane)仅作为弹性支撑体，在支撑体表面旋涂聚碳酸酯(pc，polycarbonate)，利用pc胶的粘性进行材料与原始基底之间的剥离，剥离成功率高，且在光学显微镜下操作，可精确控制转移介质和低维材料之间的接触范围。转移过程的释放步骤则利用不同温度区间pc胶受热融化和pdms受热膨胀的性质，使低维材料在较小的外界压力下接触目标基底，减小了转移过程中的材料损伤。另外pc胶融化后覆盖低维材料滴落在目标基底上，相较于传统湿法转移介质的残留物更易彻底去除，最大程度上降低了聚合物转移介质残留对转移法制备电子器件的性能影响。本发明的实施例以单根纳米线为例进行了介绍说明，在此基础上通过增大pdms弹性球面的面积和减小高度，还可推广至大面积二维材料的精确便捷转移，为受限尺度下量子输运特性的实验验证、二维材料晶体管和光电子器件制造等先进研究提供了一种可行方法。77.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。