一种二维自支撑金属材料及其制备方法、及应变传感器技术

本发明专利技术提供了一种二维自支撑金属材料及其制备方法、及应变传感器，该二维自支撑金属材料的制备方法包括如下步骤：步骤S1，衬底上依次沉积牺牲层和二维金属膜层；步骤S2，将步骤S1得到的材料置于刻蚀溶液中，所述刻蚀溶液选择性刻蚀牺牲层，并保留最外层的二维金属膜层，所述二维金属膜层在刻蚀溶液的表面张力作用下漂浮于所述刻蚀溶液的表面；步骤S3，将漂浮的二维金属膜层转移到其他衬底上。采用本发明专利技术的技术方案，先自下而上生长高质量的牺牲层和二维金属层薄膜，然后通过自上而下方法，选择性刻蚀牺牲层，获得了较完整的自支撑二维金属材料，解决了已有技术超薄金属膜难以合成的问题，以及不能兼具大尺寸和厚度可控合成的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种二维自支撑金属材料及其制备方法、及应变传感器


[0001]本专利技术属于新材料
，尤其涉及一种二维自支撑金属材料及其制备方法、及应变传感器。

技术介绍

[0002]近年来石墨烯、过渡金属二卤族化合物和金属烯等自支撑二维材料因其独特的电学、力学和量子霍尔等效应而受到广泛研究，且在能量存储、传感、生物成像等领域具有巨大的应用潜力。然而，与具有较强的层内化学键和较弱的层间相互作用的范德华材料不同，金属和大部分无机材料中原子间存在较强键合且不存在分层结构。此外，由于二维材料的表面能随着厚度的减小而急剧增加，使得自支撑二维材料的制备更加困难。
[0003]当前，已报道了多种自支撑二维材料的合成方法，这些方法大致上可以分为两种策略：自下而上和自上而下。其中自下而上包含了外延生长、籽晶生长、湿化学法、表面活性剂/配位修饰合成法、模板合成法等；自上而下包含了机械剥离法、液相剥离法、固体熔化剥离法、超快飞秒脉冲激光剥离法、电化学剥离法、离子注入剥离法、化学刻蚀法等。通过这两种策略已有多种二维材料被成功制备，例如铂、钯、铜等单质和PtCu、PdMo 、PdZnCd等合金以及氮化铝、铌酸锂等无机化合物。
[0004]自下而上策略制备自支撑二维材料可以实现大量制备以及厚度比较均匀，但在合成过程中容易出现团聚的问题，并且合成得到的二维膜材料尺寸小，通常不超过微米级的横向尺寸。此外，对所有材料不具备普适性。虽然自上而下的策略避免了团聚，可以得到大尺寸的二维材料，但普通机械剥离会导致厚度均匀性变差。因此，目前在制备自支撑二维材料方面存在的瓶颈是，尚未有能制备兼具大尺寸的金属膜厚度可控且具有普适性的方法。这些因素影响了自支撑二维金属在高性能应变传感方面的应用探索。

技术实现思路

[0005]针对以上技术问题，本专利技术公开了一种二维自支撑金属材料及其制备方法、及应变传感器。
[0006]对此，本专利技术采用的技术方案为：一种二维自支撑金属材料的制备方法，其包括如下步骤：步骤S1，衬底上依次沉积牺牲层和二维金属膜层；步骤S2，将步骤S1得到的材料置于刻蚀溶液中，所述刻蚀溶液选择性刻蚀牺牲层，并保留最外层的二维金属膜层，所述二维金属膜层在刻蚀溶液的表面张力作用下漂浮于所述刻蚀溶液的表面；步骤S3，将漂浮的二维金属膜层转移到其他衬底上。
[0007]采用此技术方案，可以获得大面积较完整的自支撑金属薄膜，最大可达厘米级，而且可保持在厘米级尺寸范围内无明显裂纹。该方法制备的二维金属膜层的厚度可低至1 nm。当厚度大于30nm时，该自支撑金属薄膜具有表面褶皱结构，可以用于设计应变传感元
件，具有高灵敏度。此外，通过选择合适的牺牲层材料和对应的刻蚀液，可实现自支撑二维贵金属、非贵金属、合金等材料的制备。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，所述牺牲层的厚度为20~40nm。进一步优选的，所述牺牲层的厚度为30 nm。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，采用磁控溅射进行沉积。采用此技术方案，由于磁控可实现大面积金属膜材料的制备（可实现晶圆级），并且薄膜的厚度与磁控溅射时间呈正相关，因此可通过控制溅射时间实现薄膜的厚度可控。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述牺牲层的材质为Cu或铝酸锶，所述刻蚀溶液为稀硝酸溶液。牺牲层的材料可以选择性的被刻蚀完全，得到纯净的自支撑二维金属膜材料，而不含牺牲层杂质。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，步骤S1中，沉积的牺牲层、二维金属膜层的表面方根粗糙度为不超过150 pm。采用此技术方案，刻蚀后得到的自支撑薄膜较为完整，裂纹和空洞少。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述二维金属膜层为Pt层。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述磁控溅射的参数条件为：室温，背景真空为10
6 Pa，溅射时氩气压力0.4 Pa，功率为20 W (Cu) 和40 W (Pt)，靶基距 100 mm。采用此技术方案，以更好的控制薄膜平面的平整度。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述稀硝酸的浓度为3.5~4.5mol/L。进一步优选的，所述稀硝酸的浓度为4mol/L。刻蚀液浓度过高，易导致刻蚀时释放较多热量，而由于牺牲层与薄膜的热膨胀系数存在差异，易导致超薄薄膜形成较多开裂，采用此技术方案，可以减少开裂。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，步骤S2中，所述刻蚀溶液的温度为20℃，刻蚀时间30 min，步骤S3中，将漂浮的二维金属膜层转移到其他衬底后，于60℃烘干时间 1 h。
[0016]本专利技术还公开了一种二维自支撑金属材料，其采用如上任意一项所述的二维自支撑金属材料的制备方法制备得到。
[0017]本专利技术还公开了一种应变传感器，其采用如上所述的二维自支撑金属材料制备得到。采用此技术方案，利用所述的二维自支撑金属材料的褶皱结构，制备的应变传感元件，灵敏度高。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：第一，本专利技术的技术方案结合物理沉积和化学刻蚀技术，先自下而上生长高质量的牺牲层和二维金属层薄膜，然后通过自上而下方法，选择性刻蚀牺牲层，获得了较完整的自支撑二维金属材料。该方法解决了超薄金属膜难以合成的问题，以及已有技术不能实现自支撑金属薄膜兼具大尺寸和厚度可控合成的问题。此外，方法具有普适性，可适用于各种金属及合金。
[0019]第二，本专利技术的技术方案得到的自支撑二维Pt具有较大的尺寸，厚度可调，保留了与块体相同的fcc晶体结构。
[0020]第三，采用本专利技术的技术方案，在高分子表面自组装形成的褶皱结构，得到具有高灵敏度的应变传感元件，具有高灵敏度，有望应用于各类高精度检测，如人体脉搏检测等。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1得到的自支撑二维铂（Pt）材料的原子力显微形貌（AFM）剖面图。
[0022]图2是本专利技术实施例1得到的自支撑二维铂（Pt）材料XRD图。
[0023]图3是本专利技术实施例1得到的自支撑二维铂（Pt）材料剥离后XPS全谱图。
[0024]图4是本专利技术实施例1得到的自支撑二维铂（Pt）材料的AFM图、TEM和SAED图和光学图像图。其中（a）是 剥离前的AFM 图，（b）是 剥离后的AFM剖面图，（c）是剥离后的TEM和SAED图，（d）是剥离后的光学图像。
[0025]图5是本专利技术对比例1得到的自支撑二维铂（Pt）材料的AFM图和光学图像图，其中，（a）为剥离前的AFM图，（b）为剥离后的AFM图，（c）为剥离后的光学形貌图。
[0026]图6是本专利技术对比例2刻蚀前后的表面形貌对比图，（a）为刻蚀前，（b）为刻蚀后，图7是本专利技术对比例3得到的自支撑二维铂（Pt）材料的光学图像图。
[0027]图8是本专利技术实施例2得到的自支撑二维铂（Pt）材料转移到PET衬底后的实物图。
[0028]图9是本专利技术实施例2得到的自支撑二维铂（Pt）材料转移到PET衬底上的SEM图，（a）和（b）分别为不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维自支撑金属材料的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：步骤S1，衬底上依次沉积牺牲层和二维金属膜层；步骤S2，将步骤S1得到的材料置于刻蚀溶液中，所述刻蚀溶液选择性刻蚀牺牲层，并保留最外层的二维金属膜层，所述二维金属膜层在刻蚀溶液的表面张力作用下漂浮于所述刻蚀溶液的表面；步骤S3，将漂浮的二维金属膜层转移到其他衬底上。2.根据权利要求1所述的二维自支撑金属材料的制备方法，其特征在于：所述牺牲层的材质为Cu或铝酸锶，所述刻蚀溶液为稀硝酸溶液。3.根据权利要求2所述的二维自支撑金属材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，沉积的牺牲层、二维金属膜层的表面方根粗糙度为不超过150 pm。4.根据权利要求3所述的二维自支撑金属材料的制备方法，其特征在于：所述二维金属膜层为Pt层。5.根据权利要求4所述的二维自支撑金属材料的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈祖煌，林柏臣，邱华军，张洪健，朱纪欣，张严翼，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：