一种二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法

本发明涉及二维材料与微纳加工；尤其涉及一种二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法。

背景技术：

1、二维材料的褶皱是指在二维材料表面或结构中形成的皱纹、褶皱或波纹。这些褶皱结构可以是在实验过程中自发形成的，也可以是通过人工手段制备的。二维材料的褶皱结构对其性能和应用具有重要影响，包括其机械性能，光学性能，电子性能等，所以在二维材料上实现对褶皱的控制对其应用显得十分重要。

2、在现有的针对二维材料褶皱制备的技术中，包括以下几种方法：(1)快速冷却法，将二维材料用液氮等进行快速冷却，利用热胀冷缩的原理形成褶皱，利用该方法形成的褶皱不可控；(2)高温退火法，将二维材料的在高温条件下退火，利用二维材料与衬底的热膨胀系数差异，可以在二维材料表面形成褶皱，这种方法形成的褶皱也是随机形成；(3)机械压痕法，通过在二维材料表面施加机械压力，在材料表面形成微观尺度的褶皱，对实验设备要求较高；(4)激光刻蚀法，利用激光对二维材料进行局部加热和刻蚀，可以在材料表面形成褶皱，需要使用昂贵的激光设备以及化学处理的方法实现褶皱的制备；(5)基于湿度的薄膜褶皱形貌调控，该方法需要薄膜材料具有吸水或与水反应的前提，所以该方法不适用二维材料，而且形成的褶皱形状多为具有分叉结构，限制了其应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法。本发明针对现有二维材料褶皱制备的技术中，快速冷却法，机械压痕法，高温退火法、湿度调控法等一些现有技术，存在着褶皱制备不可控，材料的局限性等不足，提出一种二维材料表面形成褶皱阵列结构的制备方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明涉及一种二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤1，将二维材料置于衬底表面，对样品进行图形化处理，将二维材料制备成条带状或者圆环状；条带状的宽度为0.1-5微米，长与宽的比值大于10；

5、步骤2，将样品进行温度变化处理，形成相互平行的褶皱阵列结构；在二维材料图形化的条带区域，垂直于短边方向不足以应力聚集形成褶皱，只有垂直于长边方向可以形成褶皱，实现相互平行的褶皱阵列结构。

6、优选地，步骤1中，所述二维材料为六方氮化硼或石墨烯中的一种。

7、优选地，步骤1中，所述二维材料置于衬底表面的方法为机械剥离法或化学气相沉积法中的一种。

8、优选地，步骤1中，所述二维材料图形化处理的方法为微纳加工或探针直写。

9、优选地，所述微纳加工的具体方法是：包括光刻和反应离子刻蚀；

10、光刻处理：将样品表面进行匀胶，然后利用光刻机结合掩膜版在样品区域进行所需图案的曝光，将曝光之后的样品进行显影，完成光刻工艺；

11、反应离子刻蚀：光刻完成之后，将样品进行反应离子刻蚀，刻蚀之后样品将保留涂有光刻胶的部分，之后将多余光刻胶清洗干净。

12、优选地，步骤2中，所述温度变化处理为升温处理或降温处理。利用二维材料与衬底的热膨胀系数的差异，在温度变化过程中二维材料会相对衬底发生膨胀或收缩，从而形成褶皱。

13、优选地，所述升温处理为将样品放置到管式炉中进行加热，加热温度为500-1500℃。

14、优选地，所述降温处理为将样品放置到液氮中进行直接降温。

15、本发明的原理是：利用半导体工艺将二维材料进行图形化，加工制备成条带状或者圆环状；然后利用二维材料与衬底材料的热膨胀系数差异，使得二维材料在温度变化过程中，应变只沿条带的长边变化较大形成褶皱，而在短边方向变化较小无法形成褶皱，从而在二维材料上形成相互平行的褶皱阵列。

16、本发明具有以下优点：

17、(1)本发明所涉及的二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，基于微纳加工技术与二维材料特性的结合，实现了在二维材料表面可控的褶皱阵列的结构。本发明方法制备得到结构，实现对二维材料性质的结构与性能的调控，拓展其在光电器件、传感器、催化剂、粒子输运等领域的应用。

18、(2)本发明所涉及的二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，通过图形化技术与温度变化处理，制备得到在条带或圆环中垂直于长边方向形成褶皱，而垂直于短边方向无法形成褶皱的褶皱阵列。

19、(3)本发明无需大型设备，成本低，容易操作，重复率高，安全可靠，效果显著。

技术特征：

1.一种二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述二维材料为六方氮化硼或石墨烯中的一种。

3.如权利要求1所述的二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述二维材料置于衬底表面的方法为机械剥离法或化学气相沉积法中的一种。

4.如权利要求1所述的二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述二维材料图形化处理的方法为微纳加工或探针直写。

5.如权利要求1所述的二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述温度变化处理为升温处理或降温处理。

6.如权利要求5所述的二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，其特征在于，所述升温处理为将样品放置到管式炉中进行加热，加热温度为500-1500℃。

7.如权利要求5所述的二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法，其特征在于，所述降温处理为将样品放置到液氮中进行直接降温，降温的温度范围值为-100℃--200℃。

技术总结本发明提供了一种二维材料表面褶皱阵列结构的制备方法；包括：步骤1，将二维材料置于衬底表面，对样品进行图形化处理，将二维材料制备成条带状或者圆环状；步骤2，将样品进行温度变化处理，形成相互平行的褶皱阵列结构。本发明基于微纳加工技术与二维材料特性的结合，实现了在二维材料表面可控的褶皱阵列制备。本发明方法实现对二维材料性质的结构与性能的调控，拓展其在光电器件、传感器、催化剂、粒子输运等领域的应用。本发明所涉及的二维材料表面褶皱阵列结构的方法，通过对样品进行图形化与温度变化处理，制备得到在条带或圆环中垂直长边方向形成褶皱，而垂直短边方向无法形成褶皱的褶皱阵列。技术研发人员：陈令修,邬俊源,孙宏宇,孙清旭,张洋,石礼伟受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18