一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法

1.本发明涉及一种对丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法。

背景技术：

2.二维过渡金属硫属化物具有丰富而新颖的物理特性，其原子尺寸厚度使得其物理特性易于受外界调控。丝素蛋白溶液是一种从蚕丝中提取的天然溶液，具有成本低和环境友好的优点，当其制备成薄膜结构时其良好的机械性能可以作为可加工的柔性衬底。对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底上进行微纳结构加工，在二维过渡金属硫属化物材料内部形成单轴或双轴拉伸的局域应变，其能带结构发生局域调控，进而对二维过渡金属硫属化物的性质进行局域调控，这对研究二维过渡金属硫属化物的物性局域调控、满足柔性微纳结构电子器件应用具有重要意义。目前，已有的微纳加工方法包括光刻、电子束加工、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等。光刻方法由于受到入射光和光学掩膜分辨率的限制使加工尺寸很难达到纳米级；电子束加工和聚焦离子束刻蚀方法虽然加工精度高但是制造工艺复杂；反应离子束刻蚀存在被加工材料局限等问题。

技术实现要素：

3.本发明是要解决现有的微纳加工技术加工精度低、制造工艺复杂和可加工材料受限的技术问题，而提供一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法。
4.本发明的利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法是按以下步骤进行的：
5.制备二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构柔性衬底，用可加热的原子力探针作为加工工具按照设定的加工轨迹和加工尺寸在二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构柔性衬底进行可控尺寸加工，制备微纳结构；所述的可加热的原子力探针安装于原子力显微镜扫描热模块的探头上。
6.本发明中的可加热的原子力探针为一种现有产品，可以是bruker公司生产的vita-dm-nanota-200qty 1(型号)。
7.与现有技术相比，本发明具有以下特点：本发明基于原子力扫描热探针技术对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行加工，具有极高的加工精度；基于热和力的耦合利用热探针进行加工，在不破坏二维过渡金属硫属化物材料下实现二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底微纳结构特征；此加工方法对加工环境无特殊要求，在普通大气、氮气、惰性气体和真空环境均可完成，并且加工过程不会对环境产生任何不利影响，具有环境友好性；该加工方法适用于所有的单层、双层和三层的二维材料，具有可加工材料广泛优势；另外，该加工方法可以根据需求，通过改变加工轨迹进行任意二维材料/柔性衬底的微纳加工，灵活性强，能够实现对二维过渡金属硫属化物物理性质局域调控，满足未来电子器
件的微纳加工多样性的需求。
附图说明
8.图1为试验一的步骤3中二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构的金相照片；
9.图2为试验一热探针加工后的二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底沟槽结构的原子力形貌图；
10.图3为试验一热探针加工后的二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底沟槽结构的截面图；
11.图4为试验二热探针加工后的二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底点阵结构的原子力形貌图；
12.图5为试验二热探针加工后的二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底点阵结构的截面图。
具体实施方式
13.具体实施方式一：本实施方式为一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，具体是按以下步骤进行的：
14.制备二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构柔性衬底，用可加热的原子力探针作为加工工具按照设定的加工轨迹和加工尺寸在二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构柔性衬底上进行可控尺寸加工，制备微纳结构；所述的可加热的原子力探针安装于原子力显微镜扫描热模块的探头上；制备微纳结构时可加热的原子力探针的加工温度为270℃～350℃。
15.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：制备微纳结构时可加热的原子力探针施加的垂直载荷力小于二维过渡金属硫属化物发生机械破损的临界应力。其他与具体实施方式一相同。
16.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的二维过渡金属硫属化物为二维层状材料，具体为硒化钨、硒化铟、硫化钼。其他与具体实施方式一或二相同。
17.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的二维过渡金属硫属化物为二维层状材料，为单层、双层或三层。其他与具体实施方式一至三之一相同。
18.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的二维过渡金属硫属化物是通过机械剥离或化学气相传输法制备的。其他与具体实施方式四相同。
19.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的丝素蛋白是通过旋涂丝素蛋白溶液制备的丝素蛋白膜。其他与具体实施方式一相同。
20.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述的丝素蛋白膜的厚度为90nm～600nm。其他与具体实施方式六相同。
21.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述的二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构柔性衬底是通过转移的方式将二维层状材料二维过渡金属硫属化物转移至丝素蛋白膜表面上的。其他与具体实施方式七相同。
22.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的二维过渡金属硫属化物和丝素蛋白是通过范德华力结合在一起的。其他与具体实施方式一相同。
23.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的微纳结构为纳米沟槽或纳米点阵。其他与具体实施方式一相同。
24.用以下试验对本发明进行验证：
25.试验一：本试验为一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行纳米沟槽结构加工的方法，具体是按以下步骤进行的：
26.1、制备丝素蛋白溶液：将蚕丝放入0.5％wt.的na2co3水溶液中煮沸60min，去除丝胶蛋白；将煮沸后剩余的蚕丝用去离子水反复冲洗干净后在烘箱中在80℃烘干，得到丝素蛋白纤维；将烘干后的丝素蛋白纤维置于摩尔比为1:2:8的氯化钙、乙醇和水的混合溶液中，在75℃水浴中溶解1h，得到丝素蛋白的粗溶液；冷却后将丝素粗溶液离心过滤去除不溶物；利用透析袋将过滤后的溶液使用去离子水透析4天，得到丝素蛋白溶液；
27.2、将丝素蛋白溶液旋涂制备薄膜：取适量丝素蛋白溶液滴在干净无尘的1cm
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1cm的硅片上，利用匀胶机在5000转速下高速离心旋转45s将溶液均匀铺展在硅基底表面；将匀胶完成的样品放在烘干台上，在60℃烘干30min以便加速水的挥发，去除薄膜内部残余应力同时增加薄膜与基底之间的结合力；
28.3、将二维过渡金属硫属化物转移至丝素蛋白薄膜上：通过机械剥离撕出单层硒化钨材料，将撕好的材料转移到丝素蛋白薄膜上，制备二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构，如图1所示为金相图片；
29.所述的机械剥离方法具体过程为：用胶带粘贴二维过渡金属硫属化物块体并按压使其减薄，然后将其粘在贴有pdms薄膜的载玻片上，得到pdms薄膜上的二维过渡金属硫属化物单层纳米片；
30.所述的转移过程为：将沾有目标材料的pdms载玻片向下固定于三轴位移台上，目标衬底置于光学显微镜位移台上，通过光学显微镜进行定位与观察，将目标材料缓慢接近目标衬底，目标材料完全接触目标衬底之后，等待2min使目标材料与目标衬底完全浸润，接着缓慢抬起载玻片，目标材料即成功转移至目标衬底上；
31.4、将用可加热的原子力探针安装在原子力显微镜扫描热模块的探头上，将制备的二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构放在加工台上，扫描获得二维过渡金属硫属化物的表面形貌，寻加工位置；可加热的原子力探针为一种现有产品，具体为bruker公司生产的vita-dm-nanota-200qty 1(型号)；
32.5、将探针升温到270℃；设定探针加工的垂直载荷为250nn，设定沟槽加工轨迹，控制探针沿轨迹加工出加工深度为5nm～6nm，宽度为200nm的沟槽。
33.加工完成后，通过原位扫描获得加工区域的沟槽结构形貌，如图2和3所示。
34.试验二：本试验为一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行纳米点阵结构加工的方法，具体过程与试验一不同的是：步骤五中：将探针升温到270℃；设定探针加工的垂直载荷为250nn，设定点阵加工轨迹，控制探针沿轨迹刻划加工出深度为5nm～6nm，间隔为200nm的点阵结构。其它与试验一相同。
35.加工完成后，通过原位扫描获得加工区域的加工深度为5nm～6nm、间隔为200nm微纳点阵形貌，如图4和5所示。

技术特征：

1.一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法是按以下步骤进行的：制备二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构柔性衬底，用可加热的原子力探针作为加工工具按照设定的加工轨迹和加工尺寸在二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构柔性衬底上进行可控尺寸加工，制备微纳结构；所述的可加热的原子力探针安装于原子力显微镜扫描热模块的探头上；制备微纳结构时可加热的原子力探针的加工温度为270℃～350℃。2.根据权利要求1所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于制备微纳结构时可加热的原子力探针施加的垂直载荷力小于二维过渡金属硫属化物发生机械破损的临界应力。3.根据权利要求1所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于所述的二维过渡金属硫属化物为二维层状材料，具体为硒化钨、硒化铟或硫化钼。4.根据权利要求3所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于所述的二维过渡金属硫属化物为单层、双层或三层。5.根据权利要求4所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于所述的二维过渡金属硫属化物是通过机械剥离或化学气相传输法制备的。6.根据权利要求1所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于所述的丝素蛋白是通过旋涂丝素蛋白溶液制备的丝素蛋白膜。7.根据权利要求6所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于所述的丝素蛋白膜的厚度为90nm～600nm。8.根据权利要求1所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于所述的二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构柔性衬底是通过转移的方式将二维层状材料二维过渡金属硫属化物转移至丝素蛋白膜表面上的。9.根据权利要求1所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于所述的二维过渡金属硫属化物和丝素蛋白是通过范德华力结合在一起的。10.根据权利要求1所述的一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，其特征在于所述的微纳结构为纳米沟槽或纳米点阵。

技术总结

一种利用热探针对二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法，涉及一种对丝素蛋白柔性衬底进行微纳结构加工的方法。本发明是要解决现有的微纳加工技术加工精度低、制造工艺复杂和可加工材料受限的技术问题。本发明选用可加热的原子力探针作为加工工具，制备二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白异质结构，按照设定的加工轨迹和加工尺寸在二维过渡金属硫属化物/丝素蛋白柔性衬底进行可控尺寸加工，制备微纳结构。利用热探针刻划加工的微纳米制造方法是一种具有加工方法简单、易于操作、加工环境需求低、可加工材料广泛、可实现纳米级加工精度等优势的微纳米制造方法。实现纳米级加工精度等优势的微纳米制造方法。实现纳米级加工精度等优势的微纳米制造方法。