阅读说明：本技术 一种温度控制鼓泡剥离蓝宝石衬底生长的二维材料的装置 (Device for stripping two-dimensional material grown on sapphire substrate by temperature control bubbling ) 是由 吴幸 陈新倩 徐何军 于 2019-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种温度控制鼓泡剥离蓝宝石衬底生长的二维材料的装置,包括恒温水浴仪、自动控制样品剥离器及检测显示仪；本发明通过自动控制样品剥离器的综合控制柜操控夹样、夹杯操作臂的移动,通过恒温水浴仪对NH<Sub>4</Sub>OH、H<Sub>2</Sub>O<Sub>2</Sub>的水溶液进行加热,产生气泡,进而从蓝宝石衬底上完整剥离二维材料-PMMA膜；本发明检测显示仪对二维材料-PMMA膜脱离衬底的过程实施检测显示,确保在剥离过程中二维材料-PMMA膜的完整性。本发明可实现自动剥离二维材料的功能,具有操作简单、经济、效率高、有较好的扩展性等优点。(The invention discloses a device for stripping a two-dimensional material grown on a sapphire substrate by temperature control bubbling, which comprises a constant-temperature water bath instrument, an automatic control sample stripper and a detection display instrument; the invention controls the movement of the sample clamping and cup clamping operation arms through the integrated control cabinet which automatically controls the sample stripper, and controls NH through the constant temperature water bath instrument 4 OH、H 2 O 2 Heating the aqueous solution to generate bubbles, and further completely stripping the two-dimensional material PMMA film from the sapphire substrate; the invention detects the process of separating the two-dimensional material PMMA film from the substrate by the detection display instrumentMeasurements show that the integrity of the two-dimensional material-PMMA film during the peeling process is ensured. The invention can realize the function of automatically stripping the two-dimensional material and has the advantages of simple operation, economy, high efficiency, better expansibility and the like.)

一种温度控制鼓泡剥离蓝宝石衬底生长的二维材料的装置

技术领域

本发明涉及纳米材料制备及表征技术领域，尤其是蓝宝石衬底上气相沉积生长的二维材料的转移装置即一种温度控制鼓泡剥离蓝宝石衬底生长的二维材料的装置。

背景技术

在二维材料研究及其应用需求中，蓝宝石常作为大规模制备二维材料的衬底选择。但与传统的二氧化硅衬底相比，转移生长于具有化学惰性的蓝宝石衬底上的二维材料非常困难。原因在于蓝宝石衬底与二维材料之间的结合力强于范德华力，且蓝宝石衬底具有较强的抗碱刻蚀性，使用传统的氢氧化钾溶液刻蚀剂不能将PMMA/样品结合物与蓝宝石衬底分离。另外，与铜衬底等金属衬底相比，蓝宝石衬底是绝缘衬底，所以不能采用需要导电衬底充当阴极的电化学剥离转移法来转移二维材料。目前研究最彻底、使用最广泛的二维材料的转移方法是PMMA辅助转移。然而该法仍有不足之处，如何完整地剥离带有二维材料的PMMA膜，并且不产生裂纹、褶皱以及孔洞一直是研究者关注的焦点。

近年来，基于二维材料转移方法的技术层出不穷。如“一种干法制备二维材料的TEM样品的方法”（ZL 201710054114.8），这种方法采用胶带反复粘和手工剥离二维材料，再转移至PDMS凝胶片。然而当二维材料与衬底结合力强于范德华力时，特别是通过气相沉积生长在衬底上的样品，该种方法难以从衬底上转移样品，更无从保证样品的完整性。此外，同类转移的专利申请“一种用于二维材料反复转移的贴膜及制备、使用方法”（申请号201811202904.7）、“采用液相界面层洁净、无损转移大面积二维材料的方法”（申请号201711167326.3）也相继出现。然而这些新方法，对于耐高温、电绝缘性好蓝宝石衬底并不完全适用，且工艺条件存在不确定性，影响转移成品的质量及品质的稳定性。所以，现有技术并不能很好的解决蓝宝石衬底上二维材料的转移。因此，一种可以从蓝宝石衬底上完整剥离并转移二维材料的PMMA辅助转移法和基于该法研发的装置是迫切需要的。

发明内容

本发明的目的是针对目前蓝宝石衬底上二维材料样品转移技术的不足而提供的一种温度控制鼓泡剥离蓝宝石衬底生长的二维材料的装置，该方法效率好、操作简单、可高效、大面积地转移蓝宝石衬底上的二维材料。

实现本发明的具体技术方案是：

一种温度控制鼓泡剥离蓝宝石衬底生长的二维材料的装置，特点是该装置包括恒温水浴仪、自动控制样品剥离器及检测显示仪；

所述恒温水浴仪由恒温水浴锅、数显控温表盘及减震台构成，所述恒温水浴锅设有数个，各恒温水浴锅温度不同；数显控温表盘设有温度显示屏及温度调整操作键；数个恒温水浴锅彼此相连置于减震台上；

所述自动控制样品剥离器由夹样操作臂、夹杯操作臂、滑轨及综合控制柜构成；所述夹样操作臂、夹杯操作臂设于滑轨上，与综合控制柜电连接；滑轨与恒温水浴仪相连；其中，夹样操作臂设有自由移动第一伸缩臂，自由移动第一伸缩臂上设有样品载物台及电动夹块，电动夹块与接触样品的一面贴有压力传感器；夹杯操作臂设有自由移动第二伸缩臂，且自由移动第二伸缩臂末端设有两个U型杯夹，U型杯夹的前端设有橡胶软垫；

所述检测显示仪由数码显微镜及显示屏构成；所述数码显微镜为两件，分别设于样品载物台的正上方和侧方；数码显微镜及显示屏与自动控制样品剥离器的综合控制柜连接；所述的显示屏置于减震台上。

所述综合控制柜设有夹样操作臂和夹杯操作臂的操作钮及电源。

所述数个恒温水浴锅的温度分别设置为90~120℃、60~80℃、室温。

本发明能够较好地克服目前转移蓝宝石衬底上二维材料过程中，PMMA与蓝宝石衬底存在的较难分离的问题。通过综合控制柜移动样品至不同温度的恒温水浴锅内，蓝宝石衬底上的一部分孔洞被生长的二维材料覆盖，这些孔洞内的气体经过加热导致体积膨胀，由此破坏二维材料与蓝宝石衬底的化学键结合。NH₄OH和H₂O₂水溶液产生的气泡，这些气泡在二维材料-PMMA膜的表面不断产生、聚集、融合，气泡在水溶液中受到向上的浮力，带动二维材料-PMMA膜一起向上运动，使二维材料-PMMA膜逐渐脱离蓝宝石衬底，从而实现从蓝宝石衬底上剥离二维材料-PMMA膜。该装置还可以保证二维材料-PMMA膜的完整性。具有操作简单、经济、效率高、有较好的扩展性等优点，可得到的高质量的二维材料样品。

（1）本发明解决了蓝宝石衬底上二维材料转移的过程中，承载样品的聚合物与蓝宝石衬底分离时效率不高的问题，同时避免了传统刻蚀法产生的多余物质以及对样品的污染。

（2）本发明中配置溶液中NH₄OH具有溶解作用，使有机物玷污变成水溶性化合物，随去离子水的冲洗而被排除，提高了样品的洁净度。

（3）应用该法转移蓝宝石衬底上二维材料的溶液具有经济、易配置且不会引入新的杂质等优点。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2为本发明的应用原理图；

图3剥离的二维材料的高分辨图像。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明做详细说明。

实施例

参阅图1它包含恒温水浴仪1、自动控制样品剥离器2及检测显示仪3，所述恒温水浴仪1由恒温水浴锅11及数显控温表盘12构成；其中恒温水浴锅11设有三个，满足剥离所需的不同温度，三个恒温水浴锅依图1所示自左向右的温度分别设置为90~120℃、60~80℃、室温；数显控温表盘12设有温度显示屏121及温度调整功能键122；三个恒温水浴锅11彼此相连置于减震台13上。

所述自动控制样品剥离器2由夹样操作臂21、夹杯操作臂22、滑轨23、及综合控制柜24构成；其中，夹样操作臂21、夹杯操作臂22设于滑轨23上，与综合控制柜24电连接，滑轨23与水浴加热台仪1相连；夹样操作臂21设有自由移动第一伸缩臂211，自由移动第一伸缩臂211上设有样品载物台2121及电动夹块2122，电动夹块2122接触样品的一面贴有压力传感器2123；夹杯操作臂22设有自由移动第二伸缩臂221，且自由移动第二伸缩臂221设有两个U型杯夹222，U型杯夹222的前端设有橡胶软垫。

所述检测显示仪3由数码显微镜31及显示屏32构成；所述数码显微镜31为两件，分别设于样品载物台2121的上方与侧方；数码显微镜31及显示屏32与自动控制样品剥离器2的综合控制柜24连接；所述的显示屏32置于减震台13上。

本实施例的剥离过程：

二维材料选取二硫化钨-二硫化钼异质结，参阅图1、图2，具体过程如下：

步骤1：取一片蓝宝石衬底41在其上气相沉积生长有二维材料42的样品，设置匀胶机的转速，前转600转/分钟，时间10秒；后转1200转/分钟，时间60秒，利用气压吸附，将蓝宝石衬底固定在匀胶机上。用胶头滴管取适量PMMA滴在样品表面，覆盖样品表面三分之二区域，启动匀胶机，在表面形成均匀的PMMA膜43；

步骤2：将步骤1所得到的蓝宝石衬底-二维材料-PMMA膜转移至加热台上，加热15分钟，使蓝宝石衬底上的PMMA膜43固化成厚度约为8微米的二维材料-PMMA膜44；

步骤3：用量杯量取10毫升NH₄OH和10毫升H₂O₂以及30毫升的去离子水，倒入培养皿中形成混合溶液，将步骤2所述蓝宝石衬底-二维材料-PMMA膜4从匀胶机上取下，置于夹样操作臂21的样品载物台2121上，按下综合控制柜24的夹合按钮移动电动夹块2122，待压力传感器的显示屏示数为1000帕斯卡，再次按下综合控制柜24的夹合按钮，停止电动夹块2122的移动。此时蓝宝石衬底-二维材料-PMMA膜4固定在样品载物台2121上；

步骤4：在三个恒温水浴锅11中均倒入去离子水，按下温度调整功能键并设置恒温水浴锅111、恒温水浴锅112的温度、恒温水浴锅113分别为90℃、60℃、室温。用量杯分别量取10毫升质量分数为25%的NH₄OH和10毫升质量分数为30%的H₂O₂以及30毫升的去离子水，并在烧杯中配置NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O的混合溶液，按下综合控制柜24的夹持按钮，利用夹杯操作臂22部分的操作U型杯夹222固定烧杯；

步骤5：按下综合操作柜24的夹样操作臂21和夹杯操作臂22的位移控制按钮，使得蓝宝石衬底-二维材料-PMMA膜4完全浸入所配置的混合溶液中。移动自由移动第一伸缩臂211及自由移动第二伸缩臂221使U型杯夹222所夹持的烧杯的三分之二高度浸入90℃的恒温水浴锅11中加热。蓝宝石衬底上有被二维材料覆盖的孔洞45和未被二维材料覆盖的孔洞46，蓝宝石衬底上被二维材料覆盖的孔洞45内的气体经过加热导致体积膨胀，由此破坏二维材料与蓝宝石衬底的化学键结合。加热时间30分钟。利用样品载物台2121的上方与侧方的数码显微镜31的实现全过程监控，通过显示屏32上观察蓝宝石衬底-二维材料-PMMA膜4的表面及侧面，从而实时掌握二维材料-PMMA膜44的脱离情况；

步骤6：按下综合控制柜24的位移按钮，调整自由移动第一伸缩臂211及自由移动第二伸缩臂221，将U型杯夹222所夹持的烧杯移动到60℃的水浴锅112中加热，加热时间30分钟；

步骤7：按下综合控制柜24的移动按钮，调整自由移动第一伸缩臂211，将蓝宝石衬底-二维材料-PMMA膜4从烧杯中取出，并移动至盛有去离子水的常温水浴锅113中。按下综合控制柜24的夹合按钮释放蓝宝石衬底-二维材料-PMMA膜4并使之完全置于去离子水中，约15分钟后，水的表面张力将二维材料-PMMA膜44从蓝宝石衬底41上进一步彻底分离，得到一片完整的二维材料-PMMA膜44，完成剥离。

所制得的二维材料的TEM样品的质量可通过透射电子显微镜来进行表征。图3是该二维材料的高分辨图像（标尺为0.5纳米），此结果显示通过此方法可获得清晰的晶格像。图3的右上角插图是该二维材料的低倍下形貌图（标尺为100纳米），表明通过此方法可以完整地得到样品，进一步表明这种方法可用于完整剥离蓝宝石衬底上气相沉积方法生长的二维材料。