一种无损转移自支撑低维材料的方法技术

本发明专利技术涉及低维功能材料科学和材料测试分析技术研究领域，具体为一种针对箔材、薄膜、二维材料等进行精确定位、裁剪、无损转移自支撑低维材料的方法。由于大部分需要进行转移操作的自支撑低维材料，其厚度在几纳米到几百微米不等，面内尺寸多在毫米至微米量级，取样加工过程中和转移过程中极易损坏，且其比重极小，易受外界环境(如：气流、静电等)的影响较大而难以准确控制定位。该方法引入了飞秒激光裁剪、微重力和静电引入以及显微定位等技术手段，可以有效解决以上问题，尤其针对需要把材料转移到微小易损器件上，该方法可以得到完美的应用，极大的拓展对自支撑低维功能材料的研究应用。

【技术实现步骤摘要】
一种无损转移自支撑低维材料的方法
本专利技术涉及低维功能材料科学和材料测试分析技术研究领域，具体为一种针对箔材、薄膜、二维材料等进行精确定位、裁剪、无损转移自支撑低维材料的方法。尤其在向易损微小目标载体上转移时，可充分体现其独特的优势。
技术介绍
常用的低维材料，如：箔材、功能薄膜、二维材料等，它们由于其独特的空间结构和电学性能及热学性能，关于低维材料的研究和应用近年发展迅速，在微电子领域、生物检测领域和电池领域有广泛的应用前景。将自支撑低维材料转移到微小易损芯片上进行材料本征的电学、热学等性能的测试研究时，常采用先转移，后通过电子束曝光、沉积电极、RIE刻蚀和湿法刻蚀或是聚焦离子束刻蚀的方法。但此方法所用的仪器特别昂贵，步骤极为繁琐，电极芯片载体往往都只有几百纳米，很脆弱易损坏，需要很强的专业性，而且因为是先转移后刻蚀，在刻蚀过程中，有的样品就容易被损坏，不具有普适性，同时电极图案和形状也受到了限制，不能太复杂，使对其性能的探究上就存在明显的缺陷。因此，专利技术一种先制作好芯片，再进行无损转移的方法尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种将自支撑低维材料无损转移到载体上的方法，可以对厘米至亚微米尺寸的材料进行精确定位、裁剪和无损转移，避免使用聚焦离子束刻蚀等昂贵耗时的方法，该方法具有简单、有效、易于推广等特点。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种无损转移自支撑低维材料的方法，该方法包括以下步骤：(1)利用范德华力将沉积在基底上的低维材料转移到镂空的刚性支撑薄片上；(2)利用飞秒激光精细加工装置对低维材料进行裁剪加工成所需形状；(3)利用显微定位装置将经过裁剪的材料转移到载体上方；(4)利用激光切割样品，使其与刚性支撑薄片脱离。所述的无损转移自支撑低维材料的方法，基底为Si、SiO2或聚酰亚胺。所述的无损转移自支撑低维材料的方法，采用的刚性支撑薄片支撑，有足够的力学性能，不易在转移过程中发生变形，其尺寸取决于低维材料的尺寸和转移到的目标载体的尺寸，大于载体外形尺寸。所述的无损转移自支撑低维材料的方法，利用飞秒激光精细加工装置对低维材料进行厘米至亚微米尺度的裁剪，该装置包括：激光汇聚及显微观察系统、激光光源、普通光光源、气泵、气浮减震平台、样品台机械数控移动系统、CCD摄像头、激光汇聚模块机械移动系统、运动控制器、计算机，具体结构如下：激光光源和普通光光源分别通过接口以同轴光的形式，通过光缆接入激光汇聚及显微观察系统，并且激光光源和普通光光源手动选择切换光源；激光汇聚及显微观察系统与CCD摄像头的输入端连接，CCD摄像头的输出端与运动控制器的输入端通过USB线与计算机连接，进行显微观察定位和数控编程；激光汇聚及显微观察系统设置于激光汇聚模块机械移动系统上，运动控制器的输出端与样品台机械数控移动系统连接，样品台机械数控移动系统设置于气浮减震平台上，气浮减震平台的进气端与气泵连接。所述的无损转移自支撑低维材料的方法，显微定位转移过程中，包括如下步骤：(1)采用真空吸附或磁性吸附结合滑台的方法将刚性支撑薄片转移到载体上方；(2)对材料引入非接触式外微重力或在样品和目标载体间施加定向静电力；(3)显微观察二维材料与目标载体的结合情况。所述的无损转移自支撑低维材料的方法，利用激光切割将低维材料与刚性支撑薄片分离后，在确保材料已与载体成功贴合后，再次采用真空吸附或磁性吸附结合滑台的方法将刚性支撑薄片取下，以防止在取下刚性支撑薄片时，由于静电力原因，将已转移的样品移位。所述的无损转移自支撑低维材料的方法，显微定位转移过程中，真空吸附采用的是定制口径的真空吸嘴，将刚性支撑薄片吸起；磁性吸附采用的是微小电磁铁，且此时采用的刚性支撑薄片为磁性材料，此电磁铁吸头手动控制其磁性，以求在转移过程中，刚性支撑薄片被稳定的转移，不会在移动过程中振动错位。所述的无损转移自支撑低维材料的方法，显微定位转移过程中，微重力的引入考虑到不会对材料本身性质结构有影响，且容易去除；采用静电力的方法考虑到载体表面是绝缘的，静电不会很快导走，且在引入后，尽快进行转移，防止静电力消散。所述的无损转移自支撑低维材料的方法，显微定位转移过程中，显微镜的分辨率<5μm，滑台包括X-Y-Z三个方向的平移和面内的旋转，其重复定位精度<1μm。本专利技术设计思路如下：首先，针对目前国际范围内对低维材料的电学、热学、磁学等性能的研究方法中，采用的先转移后制作芯片的过程存在的问题。本专利技术希望创造一种可以适用于已经制备好目标载体的低维材料转移方法。目标载体易破碎、不可受宏观力的特点，结合二维材料自身比重小不会自然下落、易受气流静电影响、易损坏的特点，本专利技术采用汇聚激光加工的方法来代替机械式切割，采用镂空刚性支撑薄片转移，并向材料引入微重力、静电力，使其可以在小范围内竖直下落，或在需要转移到的载体上引入静电力定向吸引样品，来实现样品和载体均不受宏观力的情况下，贴合在一起，结合精确定位即可实现自支撑低维材料的精确裁剪、定位和无损转移。正是基于以上主要的设计指导思想，本专利技术成功的实现将自支撑低维材料转移到易损载体上，保障材料本身和载体均完好无损，且可以精确定点转移。本专利技术的优点及有益效果如下：1、本专利技术所涉及的转移方法，适用于绝大多数自支撑低维材料，具有很好的普适性。2、本专利技术所涉及的转移方法，可以转移的样品尺寸最小可以达到亚微米级别。可以精确定位转移，小尺寸精确定位的转移有利于减小在材料研究过程中无关环境的影响，提高研究的可靠性。3、本专利技术所涉及的转移方法，采用飞秒激光切割的方法裁剪材料，可以避免机械式切割的剪切力对材料边缘的破坏，保障转移过程不会对材料使材料改性，确保该材料性能研究的准确性，且利用汇聚激光可以达到机械式切割不能达到的精度。4、本专利技术所涉及的转移方法，在针对所需转移到的载体是已破损材质时，具有极大的优势，该方法可以保障材料在被转移的过程中，材料本身和载体均不受到宏观力的影响，均不会出现破损的现象。5、本专利技术所涉及的转移方法，针对不同材料的性质，提供了微重力和静电力两种微小外场力的引入形式，具有更广的适用性。附图说明图1为本专利技术方法的流程图；图中，1——自支撑二维材料，2——刚性支撑薄片，3——汇聚激光，4——需转移到的目标载体，5——真空吸嘴或磁吸头，6——非接触式微小重力或静电力引入。图2为利用本专利技术方法将碳纳米管自支撑薄膜转移到悬空Si3N4电极芯片的光学照片。图3为本专利技术所做的实验装置结构图。图中，7激光汇聚及显微观察系统；8激光光源；9普通光光源；10气泵；11气浮减震平台；12样品台机械数控移动系统；13CCD摄像头；14激光汇聚模块机械移动系统；15运动控制器；16计算机。具体实施方式在具体实施过程中，提供一种将自支撑低维材料无损转移到载体上的方法，主要针对向易损载体上转移的应用场景，通过引入非接触式微重力或静电力两种微小外力，而非施加宏观接触式外力的方式转移微小的自支撑低维材料，可以有效的避免低维材料和目标载体的损坏，同时结合汇聚飞秒激光切割和显微定位的方式实现精确的定位无损转移。为了使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述。显然，所描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无损转移自支撑低维材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)利用范德华力将沉积在基底上的低维材料转移到镂空的刚性支撑薄片上；(2)利用飞秒激光精细加工装置对低维材料进行裁剪加工成所需形状；(3)利用显微定位装置将经过裁剪的材料转移到载体上方；(4)利用激光切割样品，使其与刚性支撑薄片脱离。

【技术特征摘要】
1.一种无损转移自支撑低维材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)利用范德华力将沉积在基底上的低维材料转移到镂空的刚性支撑薄片上；(2)利用飞秒激光精细加工装置对低维材料进行裁剪加工成所需形状；(3)利用显微定位装置将经过裁剪的材料转移到载体上方；(4)利用激光切割样品，使其与刚性支撑薄片脱离。2.根据权利要求1所述的无损转移自支撑低维材料的方法，其特征在于，基底为Si、SiO2或聚酰亚胺。3.根据权利要求1所述的无损转移自支撑低维材料的方法，其特征在于，采用的刚性支撑薄片支撑，有足够的力学性能，不易在转移过程中发生变形，其尺寸取决于低维材料的尺寸和转移到的目标载体的尺寸，大于载体外形尺寸。4.根据权利要求1所述的无损转移自支撑低维材料的方法，其特征在于，利用飞秒激光精细加工装置对低维材料进行厘米至亚微米尺度的裁剪，该装置包括：激光汇聚及显微观察系统、激光光源、普通光光源、气泵、气浮减震平台、样品台机械数控移动系统、CCD摄像头、激光汇聚模块机械移动系统、运动控制器、计算机，具体结构如下：激光光源和普通光光源分别通过接口以同轴光的形式，通过光缆接入激光汇聚及显微观察系统，并且激光光源和普通光光源手动选择切换光源；激光汇聚及显微观察系统与CCD摄像头的输入端连接，CCD摄像头的输出端与运动控制器的输入端通过USB线与计算机连接，进行显微观察定位和数控编程；激光汇聚及显微观察系统设置于激光汇聚模块机械移动系统上，运动控制器的输出端与样品台机械数控移动系统连接，样品台机械数控移动系统设置于气浮减震平台...

【专利技术属性】
技术研发人员：邰凯平，赵洋，靳群，康斯清，姜辛，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21