一种二维材料转移组装系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种二维材料转移组装系统及方法，属于光电子器件领域；该系统包括底座基板，操作系统和成像观察系统，操作系统是由XY+θ二维平面转角样品台和三维(XYZ)手动操作台组成，XY+θ二维平面转角样品台用于放置和调节衬底材料及其位置，三维(XYZ)手动操作台用于精确控制待转移二维材料薄片与衬底材料目标区域的对准；成像观察系统由具有双轴照明功能的长焦透镜，数码相机及其机械固定调节装置组成。本发明专利技术使用的Gel‑pak WF‑30‑x4‑6mil型二甲基硅氧烷(PDMS)可满足将PDMS上粘有待转移二维材料薄片的部分处于悬空状态(如图3所示)，消除了背景技术中玻璃片在转移贴合过程中的限制，容易实现PDMS与衬底表面的充分接触，并将整个转移过程缩短至5分钟，提高了转移组装的效率。

A two-dimensional material transfer and assembly system and method

【技术实现步骤摘要】
一种二维材料转移组装系统及方法
本专利技术属于光电子器件领域，具体涉及一种二维材料转移组装系统及方法。
技术介绍
以石墨烯，过渡族金属硫族化合物为代表的二维材料凭借优异的电学，光学及机械性质，对下一代电子及光电子器件的更新与革命具有重要意义。得益于无悬挂键的理想表面，高精度二维材料转移组装系统的开发和应用促进了二维材料研究的巨大进步。二维材料转移组装系统一方面可实现基于二维材料的器件构筑和制备，另一方面可将性能各异的原子级别厚度的二维材料进行垒叠，满足人工带隙超晶格，理想异质输运界面以及钝化表面等范德瓦尔斯异质结构的构筑需求。但截至目前为止，能够提供足够详细信息来搭建二维材料转移系统的报道较少。此外，在已有报道中，这些系统通常需要使用价格高昂的高精度光学和机械组件，各部分配合关系复杂，机械自由度较低，限制了二维材料转移组装系统的使用和推广。因此，提出一种配合关系简单、机械自由度高、成本低的二维材料转移组装系统的搭建方案具有重要意义。文献1“Castellanos-GomezA,BuscemaM,MolenaarR,etal.Deterministictransferoftwo-dimensionalmaterialsbyall-dryviscoelasticstamping.2DMaterials,2014；1:011002”报道了基于高精度二维材料转移组装系统，采用干法转移技术，将二维材料转移至SiO2/Si衬底以及原子力显微镜探针悬臂表面，并构筑了graphene/h-BN,MoS2/h-BN等范德瓦尔斯异质结构以及二维材料悬空结构。文献2“YangR,ZhengX,WangZ,etal.MultilayerMoS2transistorsenabledbyafaciledry-transfertechniqueandthermalannealing.JournalofVacuumScience&TechnologyB,2014；32:061203”报道了基于高精度二维材料转移组装系统，采用干法转移技术，构筑了基于少层MoS2材料的晶体管。文献3“UwannoT,HattoriY,TaniguchiT,etal.FullydryPMMAtransferofgrapheneonh-BNusingaheating/coolingsystem.2DMaterials,2015；2:041002”报道了基于高精度二维材料转移组装系统，采用干法转移技术，构筑了高质量的graphene/h-BN范德瓦尔斯异质结构。文献4“HemnaniRA,TischlerJP,CarfanoC,etal.2Dmaterialprinter:adeterministiccrosscontamination-freetransfermethodforatomicallylayeredmaterials.2DMaterials,2018；6:015006”报道了基于高精度二维材料转移组装系统，采用干法转移技术，构筑了graphene晶体管和graphene-Al2O3-graphene隧穿晶体管。以上文献均报道了基于高精度转移组装系统，采用干法转移技术，成功构筑了基于二维材料的电子器件以及范德瓦尔斯异质结构。但以上二维材料转移组装系统均采用了光学显微镜，长工作距离的物镜和三维微型操作台等价格高昂的精密光学和机械模块，一方面增加了系统搭建过程中各组件的配合难度和限制了操作过程中的自由度，另一方面也不能满足低成本的要求。
技术实现思路
要解决的技术问题：为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种二维材料转移组装系统及方法，是一种配合关系简单、机械自由度高且成本低的高精度二维材料转移组装系统的搭建方法。克服现有高精度二维材料转移组装系统搭建过程中组件配合关系复杂、机械操作自由度低以及成本较高的缺点；该系统主要由底座基板，手动机械操作系统以及成像观察系统三部分组成，其中底座基板是由底部安装有橡胶减震垫的200mm×400mm铁磁性面包板构成，为进行转移组装时提供稳定减震的基础；机械操作系统是由XY+θ二维平面转角样品台和三维(XYZ)手动操作台组成，XY+θ二维平面转角样品台用于放置和调节衬底材料及其位置，三维(XYZ)手动操作台用于精确控制待转移二维材料薄片与衬底材料目标区域的对准，贴合及分离功能；成像观察系统主要由具有双轴照明功能的长焦透镜，210万像素数码相机及其机械固定调节装置组成，为整个转移组装操作过程提供可视化基础。组合安装时，手动操作系统通过粘合在底部的永磁体准刚性固定底部基板上，而成像观察系统通过机械支持结构使用螺钉刚性固定系统基板上。本专利技术的技术方案是：一种二维材料转移组装系统，其特征在于：包括底座基板、操作系统和成像观察系统；所述底座基板用于支撑整个系统装置；所述操作系统包括XY两轴手动操作台、手动旋转台、铝制圆柱体和三轴手动操作台；所述铝制圆柱体固定于所述手动旋转台上表面中心处；所述手动旋转台通过所述XY两轴手动操作台固定于所述底座基板上，能够在XY二维平面内实现360°旋转，用于衬底材料的固定和调节；所述三轴手动操作台固定与所述底座基板上，用于控制待转移二维材料薄片与衬底材料目标区域的对准；所述成像观察系统包括圆柱形支持棒、底座、环形夹具、长焦透镜、辅助照明器、数码相机；所述圆柱形支持棒通过底座垂直固定于所述底座基板上，所述长焦透镜通过所述环形夹具固定于所述圆柱形支持棒上，所述环形夹具带有粗/细准焦螺旋调节功能；所述辅助照明器安装在长焦透镜底部，用于连接LED照明器；所述数码相机安装固定于所述长焦透镜的顶部；调节所述成像观察系统和操作系统的相对位置，使得所述成像观察系统的Z轴高度能够分别聚焦观察到位于PDMS表面的二维材料薄片和衬底材料表面。本专利技术的进一步技术方案是：所述底座基板选用1BS-2040-015200mm×400mm铁磁性钢材质面包板，通过4个M6型螺钉将四个RDF1型橡胶减震垫脚分别固定在面包板下表面的四个角。本专利技术的进一步技术方案是：所述XY两轴手动操作台底面和三轴手动操作台底面的四个角处均设置有4个厚度为2mm、直径为10mm圆柱形钕磁铁，通过磁铁和底座基板的吸引力实现初步定位。本专利技术的进一步技术方案是：所述XY两轴手动操作台的型号为Banggood60mm×60mm1081555，所述手动旋转台的型号为MSRP01/M，所述三轴手动操作台的型号为Banggood60mm×60mm1105874。本专利技术的进一步技术方案是：所述铝制圆柱体高度为30mm、直径为25mm。本专利技术的进一步技术方案是：所述长焦透镜为400X的双轴照明长焦透镜。本专利技术的进一步技术方案是：所述圆柱形支持棒的型号为RS300/M，所述底座为PB1M底座；所述辅助照明器为3.5X的辅助照明器。一种采用二维材料转移组装系统进行的二维材料转移，其特征在于具体步骤如下：步骤一：基于单晶体，采用SPV224型Nitto胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维材料转移组装系统，其特征在于：包括底座基板、操作系统和成像观察系统；所述底座基板用于支撑整个系统装置；/n所述操作系统包括XY两轴手动操作台、手动旋转台、铝制圆柱体和三轴手动操作台；所述铝制圆柱体固定于所述手动旋转台上表面中心处；所述手动旋转台通过所述XY两轴手动操作台固定于所述底座基板上，能够在XY二维平面内实现360°旋转，用于衬底材料的固定和调节；所述三轴手动操作台固定与所述底座基板上，用于控制待转移二维材料薄片与衬底材料目标区域的对准；/n所述成像观察系统包括圆柱形支持棒、底座、环形夹具、长焦透镜、辅助照明器、数码相机；所述圆柱形支持棒通过底座垂直固定于所述底座基板上，所述长焦透镜通过所述环形夹具固定于所述圆柱形支持棒上，所述环形夹具带有粗/细准焦螺旋调节功能；所述辅助照明器安装在长焦透镜底部，用于连接LED照明器；所述数码相机安装固定于所述长焦透镜的顶部；/n调节所述成像观察系统和操作系统的相对位置，使得所述成像观察系统的Z轴高度能够分别聚焦观察到位于PDMS表面的二维材料薄片和衬底材料表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种二维材料转移组装系统，其特征在于：包括底座基板、操作系统和成像观察系统；所述底座基板用于支撑整个系统装置；
所述操作系统包括XY两轴手动操作台、手动旋转台、铝制圆柱体和三轴手动操作台；所述铝制圆柱体固定于所述手动旋转台上表面中心处；所述手动旋转台通过所述XY两轴手动操作台固定于所述底座基板上，能够在XY二维平面内实现360°旋转，用于衬底材料的固定和调节；所述三轴手动操作台固定与所述底座基板上，用于控制待转移二维材料薄片与衬底材料目标区域的对准；
所述成像观察系统包括圆柱形支持棒、底座、环形夹具、长焦透镜、辅助照明器、数码相机；所述圆柱形支持棒通过底座垂直固定于所述底座基板上，所述长焦透镜通过所述环形夹具固定于所述圆柱形支持棒上，所述环形夹具带有粗/细准焦螺旋调节功能；所述辅助照明器安装在长焦透镜底部，用于连接LED照明器；所述数码相机安装固定于所述长焦透镜的顶部；
调节所述成像观察系统和操作系统的相对位置，使得所述成像观察系统的Z轴高度能够分别聚焦观察到位于PDMS表面的二维材料薄片和衬底材料表面。


2.根据权利要求1所述二维材料转移组装系统，其特征在于：所述底座基板选用1BS-2040-015200mm×400mm铁磁性钢材质面包板，通过4个M6型螺钉将四个RDF1型橡胶减震垫脚分别固定在面包板下表面的四个角。


3.根据权利要求1所述二维材料转移组装系统，其特征在于：所述XY两轴手动操作台底面和三轴手动操作台底面的四个角处均设置有4个厚度为2mm、直径为10mm圆柱形钕磁铁，通过磁铁和底座基板的吸引力实现初步定位。


4.根据权利要求1所述二维材料转移组装系统，其特征在于：所述XY两轴手动操作台的型号为Banggood60mm×60mm1081555，所述手动旋转台的型号为MSRP01/M，所述三轴手动操作台的型号为Banggood60mm×60mm1105874。


5.根据权利要求1所述二维材料转移组装系统，其特征在于：所述铝制圆柱体高度为30mm、直径为25mm。


6.根据权利要求1所述二维材...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵清华，王涛，介万奇，安德烈斯·卡斯泰拉诺斯·戈麦斯，里卡多·夫里森达，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61