一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用

1.本发明涉及二维半导体材料在衬底上的信号测试技术领域，具体是涉及一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用。


背景技术：

2.作为新型材料的杰出代表，二维材料在电学、光学、热学、机械性质方面具有优良的物理特性。自石墨烯被发现以来，二维材料的种类也不断得到发展和研究，从半金属的石墨烯，到窄带隙的黑磷、过渡金属硫族化合物等半导体，再到宽带隙的绝缘体，种类丰富。这些二维材料具有独特的优势：(1)具有很小的尺寸，一般都是微米级别，对于制备小型化和集成化的电子及光电器件十分有益；(2)二维材料非常薄，可达到原子层厚度，使得它们非常容易被调控，对力、热、光、电、磁非常敏感；(3)二维材料之间存在范德华力，可以将相同或不同的二维材料堆叠在一起形成同质结或异质结，进行性能上的优势互补。
3.二维材料这些新奇的物理性质本质上是由其晶格结构和电子结构所决定的，因此调控二维材料的晶格结构和电子结构对于实现新奇的物理效应具有重要意义。近年来，对二维材料晶格匹配和层间耦合作用调控的研究非常迅速，其中比较有代表性的就是直接堆垛不同二维材料或堆叠加旋转不同角度二维材料构成的范德华异质结，作为能够高效、连续、可逆调控材料结构的高压手段在二维材料上的应用也备受关注。
4.金刚石对顶砧(diamond anvil cell，dac)是一种产生高压的重要装置，其中活塞圆筒型金刚石对顶砧因其方便小巧、稳定性较高的特性，较为常见。随着金刚石对顶砧砧面直径的减小，其能够产生的压力也越大，最高可产生超过百万大气压强(100gpa)的压力，如此高的压力能够对所研究的材料体系造成显著的体积和厚度变化，导致材料中的原子重新排列、电子轨道的交叠程度提高，进而改变材料的晶体结构和电子结构。
5.在使用金刚石对顶砧研究二维材料时，首先需要将二维材料或异质结转移至金刚石对顶砧表面，然后依次装配金属垫片、传压介质、定压介质和加压螺丝，最后进行高压测试。在这个过程中有几个难点，首先是二维材料转移，因为金刚石对顶砧的砧面直径只有几百微米甚至几十微米(50um-500um)，将同为微米级别的二维材料转移至同为微米级别的对顶砧上的操作实验难度较大，因此对于此步骤的研究也较多，目前已经实现通过借助二维材料转移平台，采用干法转移法将二维材料转移至金刚石对顶砧表面，成功率能够得到一定保障；其次是装配，装配过程中所用的金属垫片中间有个比对顶砧直径更小的圆孔(称为样品腔)，在装配过程中，需要依次将传压介质(硅油、酒精等)和定压介质(红宝石)安装在样品腔中，实验操作难度较大，而且在装配金属垫片的过程中容易将在金刚石对顶砧表面的二维材料刮坏，严重影响后续测量质量；然后是测量信号过程，因为对顶砧上的金刚石是完全纯净透明的，薄层的二维材料也是接近透明，当使用激光测量材料的拉曼、荧光、吸收信号时，激光信号完全透过金刚石，仅能回收较弱的反射信号，甚至当材料为较薄的少层时，没有反射信号，而且两颗金刚石之间有传压介质，狭小的间隙还容易产生光波干涉现象，大大影响测量信号的收集，造成实验失败。基于此，开发一种降低金刚石对顶砧装配难
度以及改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的方法以及与该方法相匹配的试样显得尤为重要和迫在眉睫。


技术实现要素：

6.本发明需要解决的技术问题是：
7.金刚石对顶砧装配过程操作难度较大，而且在装配金属垫片的时候容易将二维材料损坏；在测量信号过程中，激光信号透过完全透明的金刚石，仅能回收微弱的反射信号甚至当材料较薄时没有反射信号；而且当激光通过两颗金刚石之间的传压介质间隙时，还容易产生光波干涉现象，影响测量效果，造成实验失败。
8.本发明的技术问题通过以下方案解决：
9.本发明提供解决上述技术问题的方法是，将转移有二维材料的金刚石对顶砧粘贴在镀金板上，倒置放在真空蒸发镀膜仪中，在金刚石对顶砧表面蒸镀一层800-1200nm、优选为1000nm厚的纳米金层，在测量信号时采用双面测量法，在有纳米金层的一面收集材料测量信号，在另一面测量定压介质的信号，确定压力大小。此方法能够使激光在通过完全透明的金刚石时实现全反射，大大提高反射信号强度，解决了二维材料在透明金刚石衬底上无反射信号或信号较弱的问题，而且纳米金层与材料紧密贴合，激光也没有通过传压介质间隙，也解决了光波干涉问题。同时，纳米金层还能够对二维材料起到保护作用，解决了金刚石顶砧在装配过程中二维材料易被金属垫片刮伤的问题，大大降低了装配难度，提高了高压实验成功率。
10.本发明为一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用，包括上砧、下砧、金属垫片和金镀层，所述上砧或下砧表面正中央布置有待测材料，所述待测材料为二维材料或异质结，布置有待测材料的金刚石对顶砧表面以及待测材料表面设置有金镀膜；上下对顶砧的表面完全对齐，所述金属垫片被夹紧于上下对顶砧之间，所述金属垫片正中央开有通孔，所述通孔位于下砧和上砧的正中央，所述通孔内填充传压介质，所述通孔内装配定压介质。所述定压介质和待测材料分居镀金层两侧。
11.作为优选的实施方式，所述金镀层厚度为800-1200nm，优选为1000nm。在本发明中控制镀金层的厚度是为了使改善效果达到最佳，镀金层太厚会导致压力传导不灵敏和不准确，实际值小于测量值，镀金层太薄则会导致无法实现激光的全反射，大大降低信号改善效果；本发明所述的二维材料可为单层、多层、厚层和块体，所述异质结为将单种二维材料堆叠而成。
12.作为优选的实施方式，所述传压介质为硅油或乙醇酒精混合物，所述定压介质为红宝石。
13.作为优选的实施方式，所述的金刚石对顶砧为活塞圆筒型金刚石对顶砧，还包括上活塞圆筒、下活塞圆筒和加压螺丝，上下对顶砧分别通过螺丝固定在上下活塞圆筒正中央，通过加压螺丝将上下活塞圆筒固定在一起。
14.本发明为一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用，包括以下步骤，s1，将二维材料或异质结转移至金刚石对顶砧上砧或下砧表面；
15.s2，将带有待测材料的金刚石对顶砧底座固定在在镀金板上，并倒置放在高真空蒸发镀膜仪中；
16.s3，开启高真空蒸发镀膜仪，在带有待测材料的金刚石对顶砧表面蒸镀一层厚度为800-1200nm的镀金层；
17.s4，装配金刚石对顶砧；所述上下对顶砧分别通过螺丝固定在上下活塞圆筒正中央，所述金属垫片被夹紧于上下对顶砧之间，所述金属垫片正中央开有通孔，所述通孔位于下砧和上砧的正中央，所述通孔内填充传压介质，所述通孔内装配定压介质；
18.s5，采用双面测量法测量信号；在有传压介质的一面进行信号测量，确定装置压力大小；将金刚石对顶砧翻转，进行样品性质信号测量。由于金镀层的存在，并结合使用双面测量法，激光在照射到红宝石和测试材料时能够实现完全隔离，即测量压力大小信号时无材料信号干扰，测量材料性质信号时无红宝石信号干扰，这样测到的信号纯净准确且强度大。
19.作为优选的实施方式，s1中，通过二维材料转移平台将二维材料或异质结转移至金刚石对顶砧表面，并采用湿法转移法或干法转移法进行转移。二维材料或异质结应转移至金刚石对顶砧中央位置。
20.作为优选的实施方式，s2中，通过耐高温双面胶将带有待测材料的金刚石对顶砧底座粘贴在镀金板上。
21.作为优选的实施方式，在步骤s3中，高真空蒸发镀膜仪的真空度应小于1*10-5
pa，镀金速率应保持在0.1nm/s—0.2nm/s，金在蒸镀舟中的量应不低于0.5g，镀金完成后金刚石对顶砧应静置12小时以上。金在蒸镀舟中的量应不低于0.5g，防止金量不足；金刚石对顶砧应静置12小时以上，确保镀金层固化。
22.作为优选的实施方式，s5中，样品性质信号测量包括拉曼信号测量、荧光信号测量、反射信号测量。
23.作为优选的实施方式，s5中，使用拉曼光谱仪测试待测材料区域的拉曼光谱信号和荧光光谱信号。
24.综上所述，本发明中提供的在金刚石对顶砧表面蒸镀一层800-1200nm、优选为1000nm厚的纳米金层的方法，能够使激光在通过完全透明的金刚石时实现全反射，大大提高了信号反射强度，解决了二维材料在透明金刚石衬底上无反射信号或信号较弱的问题；而且由于纳米金层紧密贴合在二维材料上，激光没有通过传压介质间隙，解决了现有测量技术测试信号偏弱以及激光信号出现干涉条纹的问题。
25.同时，本发明方法中提供蒸镀的纳米金层还能够对金刚石对顶砧表面的二维材料起到一定的保护作用，解决了金刚石顶砧在装配过程中二维材料易被金属垫片刮伤的问题，大大降低了装配难度，提高了实验成功率。
26.本发明原理和操作方法简单可行，实验仪器和实验材料也较易获得。
附图说明
27.图1为金刚石对顶砧实物照片。
28.图2为金刚石对顶砧工作原理图。
29.图3为二维材料wse2在金刚石对顶砧上的光学照片和测量结果。其中图3(a)显示的是wse2被转移到金刚石对顶砧上镀金前的光学显微照片；图3(b)为wse2被转移到金刚石对顶砧上镀金后的光学显微照片；图3(c)显示的是镀金前后wse2拉曼信号对比图；图3(d)
显示的是镀金前后wse2荧光信号对比图；图3(e)显示的是镀金前后在加压时wse2荧光信号对比图。
30.图4为二维材料wse2/mos2异质结在金刚石对顶砧上的光学照片和测量结果。其中图4(a)显示的是wse2/mos2异质结被转移到金刚石对顶砧上镀金前的光学显微照片；图4(b)为wse2/mos2异质结被转移到金刚石对顶砧上镀金后的光学显微照片；图4(c)显示的是镀金前后wse2/mos2异质结拉曼信号对比图；图4(d)显示的是镀金前后wse2/mos2异质结荧光信号对比图。
31.图5显示的是镀金后金刚石对顶砧的工作示意图。
32.图6为未镀金时金刚石对顶砧的工作时的剖视图。
33.图7为镀金后金刚石对顶砧的工作时的剖视图。
34.附图标记
35.1、上砧；2、下砧；3、金属垫片；4、镀金层；5、传压介质；6、定压介质；7、待测材料。
具体实施方式
36.下面结合附图与实施例对本发明进行详细描述。
37.在实施例中采用的金刚石对顶砧为北京中研环科公司为所生产，型号：s-i活塞圆筒型金刚石对顶砧；实施例中所用的高真空电阻蒸发镀膜机为北京泰科诺科技公司所生产，型号：zhd-300；在实施例中采用的耐高温双面胶为深圳信时包装材料公司所生产，型号：3j-7400；实施例中所用的信号测量仪为德国witec公司所生产的共聚焦拉曼光谱仪，型号：alpha-300 r。
38.实施例1
39.结合附图3，本发明实施例改善二维材料wse2在金刚石对顶砧表面信号的方法，包括以下步骤：
40.第一步：使用干法转移法将单层二维材料wse2移至金刚石对顶砧上砧表面；
41.第二步：将带有待测材料的金刚石对顶砧底座粘贴在镀金板上，并倒置放在高真空蒸发镀膜仪中；
42.第三步：开启高真空蒸发镀膜仪，待测材料以及带有待测材料的金刚石对顶砧表面蒸镀一层厚度为1000nm厚的镀金层，镀金过程应保持真空度应为1*10-5
pa，镀金速率为2nm/s，镀金完成后静置12小时；
43.第四步：装配镀金完成后的金刚石对顶砧。将上下对顶砧分别通过螺丝固定在上下活塞圆筒正中央，在显微镜下通过调整对顶砧固定螺丝方向使上下对顶砧的表面完全对齐，然后在带有待测材料的金刚石对顶砧表面装配金属垫片，所述金属垫片正中央开有通孔，所述通孔位于下砧和上砧的正中央，所述通孔内填充传压介质，所述传压介质为硅油，所述通孔内装配定压介质，所述定压介质为红宝石，所述红宝石颗粒浸于硅油之中，装配加压螺丝，所述金属垫片被夹紧于上下对顶砧之间；
44.第五步：测量信号。采用双面测量法测量，在有传压介质的一面进行信号测量，确定装置压力大小；将金刚石对顶砧翻转，使用拉曼光谱仪测试wse2区域的拉曼光谱信号和荧光光谱信号，结果如图3(c)和图3(d)所示；在加大到一定压力(5.2gpa)时，测量wse2区域的荧光光谱信号，结果在图3(e)中所示，测量信号图中没有出现干涉条纹。
45.通过对比图3(c)和图3(d)中镀金前后材料的拉曼光谱信号和荧光光谱信号可以发现，镀金后材料的拉曼信号和荧光信号强度比镀金前的信号强度明显增强，而且可以显示出更多测量信号细节，证明本发明方法能够有效解决二维材料在透明金刚石衬底上无反射信号或信号较弱的问题，且效果显著。
46.通过对比图3(e)中镀金前后材料的荧光光谱信号可以发现，当金刚石对顶砧加大到一定压力时，没有镀金的wse2荧光光谱测量信号图中出现明显的干涉条纹，镀金后的wse2荧光光谱测量信号图中没有出现干涉条纹，这是由于纳米金层的存在，激光没有通过材料和传压介质间隙而导致的干涉条纹消失。证明本发明方法能够有效解决金刚石对顶砧在测量过程中出现的光波干涉问题，且效果显著。
47.对比例1
48.第一步：使用干法转移法将单层二维材料wse2移至金刚石对顶砧上砧表面；
49.第二步：装配金刚石对顶砧。将上下对顶砧分别通过螺丝固定在上下活塞圆筒正中央，在显微镜下通过调整对顶砧固定螺丝方向使上下对顶砧的表面完全对齐，然后在带有待测材料的金刚石对顶砧表面装配金属垫片，所述金属垫片正中央开有通孔，所述通孔位于下砧和上砧的正中央，所述通孔内填充传压介质，所述传压介质为硅油，所述通孔内装配定压介质，所述定压介质为红宝石，所述红宝石颗粒浸于硅油之中，装配加压螺丝，所述金属垫片被夹紧于上下对顶砧之间；
50.第三步：测量信号。
51.光学图片如图3(a)所示；使用拉曼光谱仪测试wse2区域的拉曼光谱信号和荧光光谱信号，信号结果在图3(c)和图3(d)中所示；在加大到一定压力(5.2gpa)时，测量wse2区域的荧光光谱信号，结果在图3(e)中所示，测量信号图中出现明显的干涉条纹。
52.实施例2
53.结合附图4，本发明实施例改善二维材料wse2/mos2异质结在金刚石对顶砧表面信号的方法，包括以下步骤：
54.第一步：使用干法转移法将二维材料单层wse2/mos2异质结移至金刚石对顶砧上砧表面，光学图片如图4(a)所示；使用拉曼光谱仪测试wse2/mos2异质结区域的拉曼光谱信号和荧光光谱信号，结果如图4(c)和图4(d)所示；
55.第二步：将带有待测材料的金刚石对顶砧底座粘贴在镀金板上，并倒置放在高真空蒸发镀膜仪中；
56.第三步：开启高真空蒸发镀膜仪，待测材料以及带有待测材料的金刚石对顶砧表面蒸镀一层厚度为1000nm厚的镀金层，镀金过程过程保持真空度应为1*10-5
pa，镀金速率为2nm/s，镀金完成后静置12小时；
57.第四步：装配镀金完成后的金刚石对顶砧。将上下对顶砧分别通过螺丝固定在上下活塞圆筒正中央，在显微镜下通过调整对顶砧固定螺丝方向使上下对顶砧的表面完全对齐，然后在带有待测材料的金刚石对顶砧表面装配金属垫片，所述金属垫片正中央开有通孔，所述通孔位于下砧和上砧的正中央，所述通孔内填充传压介质，所述传压介质为硅油，所述通孔内装配定压介质，所述定压介质为红宝石，所述红宝石颗粒浸于硅油之中，装配加压螺丝，所述金属垫片被夹紧于上下对顶砧之间；
58.第五步：测量信号。采用双面测量法测量，在有传压介质的一面进行信号测量，确
定装置压力大小；将金刚石对顶砧翻转，使用拉曼光谱仪测试wse2/mos2异质结区域的拉曼光谱信号和荧光光谱信号，结果如图4(c)和图4(d)所示；
59.通过对比图4(c)和图4(d)中镀金前后材料的拉曼光谱信号和荧光光谱信号可以发现，镀金后二维材料异质结区域的拉曼信号和荧光信号强度比镀金前的信号强度明显增强，而且可以显示出更多测量信号细节，证明本发明方法能够有效解决二维材料在透明金刚石衬底上无反射信号或信号较弱的问题，且效果显著。

技术特征：
1.一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置，其特征在于：包括上砧、下砧、金属垫片和金镀层，所述上砧或下砧表面正中央布置有待测材料，所述待测材料为二维材料或异质结，布置有待测材料的金刚石对顶砧表面以及待测材料表面设置有金镀膜；上下对顶砧的表面完全对齐，所述金属垫片被夹紧于上下对顶砧之间，所述金属垫片正中央开有通孔，所述通孔位于下砧和上砧的正中央，所述通孔内填充传压介质，所述通孔内装配定压介质。2.如权利要求1所述的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置，其特征在于：所述金镀层厚度为800-1200nm，优选为1000nm。3.如权利要求1所述的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置，其特征在于：所述传压介质为硅油或乙醇酒精混合物，所述定压介质为红宝石。4.如权利要求1-3任一项所述的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置，其特征在于：所述的金刚石对顶砧为活塞圆筒型金刚石对顶砧，还包括上活塞圆筒、下活塞圆筒和加压螺丝，上下对顶砧分别通过螺丝固定在上下活塞圆筒正中央，通过加压螺丝将上下活塞圆筒固定在一起。5.一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用，使用权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于：包括以下步骤，s1，将二维材料或异质结转移至金刚石对顶砧上砧或下砧表面；s2，将带有待测材料的金刚石对顶砧底座固定在在镀金板上，并倒置放在高真空蒸发镀膜仪中；s3，开启高真空蒸发镀膜仪，在带有待测材料的金刚石对顶砧表面蒸镀一层厚度为800-1200nm的镀金层；s4，装配金刚石对顶砧；所述上下对顶砧分别通过螺丝固定在上下活塞圆筒正中央，所述金属垫片被夹紧于上下对顶砧之间，所述金属垫片正中央开有通孔，所述通孔位于下砧和上砧的正中央，所述通孔内填充传压介质，所述通孔内装配定压介质；s5，采用双面测量法测量信号；在有传压介质的一面进行信号测量，确定装置压力大小；将金刚石对顶砧翻转，进行样品性质信号测量。6.如权利要求4所述的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用，其特征在于：s1中，通过二维材料转移平台将二维材料或异质结转移至金刚石对顶砧表面，并采用湿法转移法或干法转移法进行转移。7.如权利要求4所述的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用，其特征在于：s2中，通过耐高温双面胶将带有待测材料的金刚石对顶砧底座粘贴在镀金板上。8.如权利要求4所述的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用，其特征在于：在步骤s3中，高真空蒸发镀膜仪的真空度应小于1*10-5
pa，镀金速率应保持在0.1nm/s—0.2nm/s，金在蒸镀舟中的量应不低于0.5g，镀金完成后金刚石对顶砧应静置12小时以上。9.如权利要求4所述的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用，其特征在于：s5中，样品性质信号测量包括拉曼信号测量、荧光信号测量、反射信号测量。10.如权利要求6所述的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用，
其特征在于：s5中，使用拉曼光谱仪测试待测材料区域的拉曼光谱信号和荧光光谱信号。

技术总结
本发明提供一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用。包括上砧、下砧、金属垫片和金镀层，所述上砧或下砧表面正中央布置有待测材料，所述待测材料为二维材料或异质结，布置有待测材料的金刚石对顶砧表面以及待测材料表面设置有金镀膜；上下对顶砧的表面完全对齐，所述金属垫片被夹紧于上下对顶砧之间，所述金属垫片正中央开有通孔，所述通孔位于下砧和上砧的正中央，所述通孔内填充传压介质，所述通孔内装配定压介质。综上所述，本方案提供的一种改善二维材料在金刚石对顶砧上测量信号的装置及应用能够解决现有测量技术测量信号偏弱以及测量信号出现干涉条纹的问题。量信号偏弱以及测量信号出现干涉条纹的问题。量信号偏弱以及测量信号出现干涉条纹的问题。


技术研发人员：丁俊男 刘艳平 谢兴 何军
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/10/8