一种二维材料中晶界和原子缺陷的表征方法技术

本发明专利技术公开了一种二维材料中晶界和原子缺陷的表征方法。该方法利用一对放电电极，使通入电极之间的水蒸气电离。水蒸气电离产生的氢、氧等等离子体易与缺陷易在缺陷处吸附结合，借助高倍光学显微镜，可以通过观察水蒸气凝结规律，从而表征宏观和围观的缺陷。本发明专利技术非常迅速实现了对微观缺陷的无损表征。另外，本发明专利技术的微观缺陷表征方法只会在二维材料表面残留水分子，通过烘干即可使该二维材料恢复原始状态，因此不会在其表面引入杂质。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。该方法利用一对放电电极，使通入电极之间的水蒸气电离。水蒸气电离产生的氢、氧等等离子体易与缺陷易在缺陷处吸附结合，借助高倍光学显微镜，可以通过观察水蒸气凝结规律，从而表征宏观和围观的缺陷。本专利技术非常迅速实现了对微观缺陷的无损表征。另外，本专利技术的微观缺陷表征方法只会在二维材料表面残留水分子，通过烘干即可使该二维材料恢复原始状态，因此不会在其表面引入杂质。【专利说明】
本专利技术属于材料表面缺陷及其分布检测领域，具体涉及。
技术介绍
二维材料具有层状结构，每层仅为单原子或几个原子厚度，其现出的物理性质往往与传统的材料有很大的不同，因此近年来被广泛的探索和研究。例如石墨烯，它作为最早被发现的二维材料，理论上具有零禁带的特征，其载流子的迀移率高达200000cm2/(V.s)；另一种典型材料二硫化钼(MoS2)当其厚度减少至单层时，其禁带可以从间接带隙变为直接带隙，因此可以作为纳米发光器件的沟道材料;二维的六方氮化硼(h-BN)可以在纳米器件中被用作绝缘层，使用二维的六方氮化硼制作的绝缘层几乎不存在界面电荷，其纳米级别的起伏能够有效避免传统氧化硅衬底对载流子显著的散射作用。但是由于工艺原因，各种工艺制备出的这些二维材料往往具有很多缺陷的，这主要表现为宏观的破洞、褶皱和台阶等，以及微观的晶界和原子缺陷等。为了检测制备出的二维材料的质量，需要对这些缺陷进行表征。常用的表征手段主要有光学显微镜、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)以及透射电子显微镜(TEM)等。但是他们各自有局限性:普通光学显微镜受限于光学衍射极限的限制，一般只能分辨破洞、褶皱、台阶等宏观缺陷;拉曼光谱一般只有Iym左右的空间分辨率，而且无法分辨缺陷的种类;AFM、STM和TEM虽然可以能够达到纳米尺度的分辨率，但是非常耗时并且对样品有特殊要求或需要采用特殊方式制样;此外，SEM、AFM、STM和TEM还有可能对二维材料造成损伤。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种二维材料中晶界和原子缺陷等微观缺陷进行表征的方法。本专利技术提供的二维材料中晶界和原子缺陷的表征方法，包括如下步骤:(I)将制备有二维材料的衬底片烘干。制备的二维材料可以是在各类衬底上经化学气相沉积(CVD)直接生长的二维材料，也可以是经机械剥离或光刻胶转移等方法转移到各类衬底上的二维材料。二维材料在衬底上可以是与衬底平行放置、垂直放置或与衬底呈某个其他角度放置。(2)在光学显微镜的载物台上固定放电电极，并将覆盖有二维材料的衬底片放置在载物台上。 (3)向衬底片表面通混有水蒸气的惰性气体，并在放电电极之间设置电压置于气体保护的环境是为了避免空气中的灰尘或其他污染物被吸附到二维材料表面，从而污染原材料并对表征结果产生干扰。放电电极之间的电压需设定在合适值，以避免产生的等离子体浓度过高或等离子体经加速获得的能量过高，从而避免了对二维材料的晶格造成破坏。高纯惰性气体通过导管被通入纯净的去离子水后，经另一个导管导出至二维材料表面。气体可以垂直于二维材料表面导出，可以平行于二维材料导出，也可以呈某个其他角度导出到二维材料表面。将只夹带有水蒸气的惰性气体通至二维材料表面，于是部分水分子被电离成等离子并吸附在二维材料表面，后续的水分子优先落在缺陷存在的地方。如果没有等离子体，二维材料中的微观缺陷处相对于完美晶格处的极性较弱，不像宏观缺陷有足够的吸引力来沉积水分子。而由于等离子体的存在，等离子体易与这些微观的缺陷结合，从而加强了这些微观缺陷处的极性。增强的极性使得微观缺陷变得容易吸附水分子，从而使这些微观缺陷易于表征。经上述过程后，二维材料表面只会残留水分子，因此在表征过后通过简单加热就可以使样品还原。(4)在高倍光学显微镜下观察二维材料表面的小水珠的分布，以此确定缺陷的种类和分布。可以发现二维材料表面出现了很多密集的小水珠，这些小水珠的直径大多在百纳米级别，且在二维材料表面呈特定规律排列。经证实，这些水珠对应着晶界或原子缺陷等原来在光学显微镜下无法发现的缺陷。如图4，二维材料表面小水珠分布于AFM相位图像中显示的微观缺陷对应。光学显微镜观察后，将样品再次置于热板上烘干，则样品恢复至刚被制备后的状态。如果需要再次对该二维材料进行表征，可重复上述步骤。上述二维纳米材料是指石墨稀、石墨薄膜、]///[0162、132、1362、1162、Bi2Se3、Bi2Te3、黑磷、六方氮化硼(h-BN)、Ti3SiC2、Ti2AlC、Ti2AlN、Ti2GeC、TiGeC2、V2AlC、Ta2AlC、Nb2AlC和云母等硅酸盐层状材料等。本专利技术利用一对放电电极，使通入电极之间的水蒸气电离。水蒸气电离产生的氢、氧等等离子体易与缺陷易在缺陷处吸附结合，从而增强了缺陷处的极性并吸附水分子。借助高倍光学显微镜，可以通过观察水蒸气凝结规律，从而表征宏观和围观的缺陷。另外，通过调控等离子体的强度来避免对二维材料晶格产生损伤，并通过控制二维材料周围气体组分防止在二维材料表面引入其他无法去除的污染物(如空气中的灰尘或其他污染物等)，实现快速无破坏无污染的缺陷表征。本专利技术的优点:相对于表征二维材料微观缺陷的常用方法(SEM、STM、AFM和TEM等)，该方法由于二维材料表面等离子体的产生以及对水分子的吸附均在非常短的时间内完成，并且可以在高倍光学显微镜下直接观察到微观缺陷，所以该表征方法非常迅速。由于等离子的浓度或等离子体释放到二维材料表面的速度可以通过改变放电电极之间的电压来控制，所以可以避免电极放电产生的等离子体对二维材料的晶格带来破坏，实现了对微观缺陷的无损表征。另外，本专利技术的微观缺陷表征方法只会在二维材料表面残留水分子，通过烘干即可使该二维材料恢复原始状态，因此不会在其表面引入杂质。【附图说明】图1本专利技术方法的表征装置示意图:图中I一光学显微镜系统的物镜;2—光学显微镜系统的载物台；3一衬底;4一二维材料;5一放电电极;6一倒漏斗形喷嘴;7一惰性保护气体;8—尖头喷嘴;9 一含有水蒸气的惰性气体;10—小水珠；图2实例I中的结果示意图:本专利技术方法对HOPGshimo的表征结果的光学显微镜照片;图3实例2中的结果示意图:本专利技术方法对CVD法生长并转移后的单层石墨烯的表征结果的光学显微镜照片；图4实例3中的结果示意图:(a)本专利技术方法对直接制备的石墨烯薄膜的表征结果的光学显微镜照片；(b)相同位置处的AFM相位图像。【具体实施方式】下面通过实例对本专利技术做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本专利技术，但是本领域的技术人员可以理解:在不脱离本专利技术及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本专利技术不应局限于实施例所公开的内容，本专利技术要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。实例1:CVD法生长的石墨薄膜表面的缺陷表征I)石墨薄膜制备:使用镍箔作为催化剂，高温下在其表面生长石墨薄膜。将该镍箔降温至室温后取出，则在镍箔表面覆盖有石墨薄膜。2)将覆盖有石墨薄膜的镍箔烘干:将生长有石墨薄膜的镍箔放置在热板上，以160°C烘5min，以去除样品表面可能存在的水蒸气或其他任何可挥发的污染物。3)将放电电极固定在光学显微本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维材料中晶界和原子缺陷的表征方法,步骤如下：1)将制备有二维材料的衬底片烘干；2)在光学显微镜的载物台上固定放电电极，并将覆盖有二维材料的衬底片放置在载物台上；3)向衬底片表面通混有水蒸气的惰性气体，并在放电电极之间设置电压；4)在高倍光学显微镜下观察吸附在二维材料表面的小水珠的分布情况,随后烘干衬底片，完成二维材料中晶界和原子的缺陷表征。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭剑，王紫东，贾越辉，龚欣，彭沛，田仲政，任黎明，傅云义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11