一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统及方法

1.本发明涉及二维材料微纳米器件制备关键工艺技术领域，涉及二维层状晶体材料的干法转移，微纳米器件金属电极淀积的技术领域，具体涉及一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统及方法。

背景技术：

2.原子级厚度二位层状晶体材料由于具有丰富的电学、光学、磁学、力学等性质，引起了广泛的研究关注。研究所需要的二维晶体材料主要由化学气相合成(cvd)和胶带机械剥离得到。胶带机械剥离二维晶体材料往往具有操作方便，制备效率高，样品污染少，晶体质量高等优点，在研究中具有很高的地位。研究所需要的二维晶体材料需要先通过某种方法转移到si/sio2基底上，再通过金属淀积的方法淀积金属电极。其中，干法转移技术就是常用的高效、灵活的转移方法。金属淀积是半导体工艺中常用的金属制备工艺。其中需要使用专用的掩模版与掩模版对准系统，能够将掩模版和样品相关区域高质量对准，使要淀积的金属原子透过掩模版开孔图形区域，实现金属电极的淀积。
3.目前市场上已经存在二维晶体材料干法转移系统，但是这些转移系统存在着体积大，使用环境兼容性差，价格昂贵等不足。在金属电极淀积方面，市场上的掩模版对准系统也存在价格昂贵，使用环境兼容性差等不足。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种能够实现二维晶体材料干法转移，金属电极淀积用掩模版对准的多功能系统。另外，该系统结构轻巧，操作简单，价格低廉，便于改装，兼容性高。
5.本发明为实现上述目的，所提供的技术方案是：一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，包括固定部分和可移动部分，其中，可移动部分能够从多个自由度调整二维晶体材料与基底之间的相对位置。
6.进一步地，用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，固定部分包括安装固定底座，可移动部分包括位移模块、多功能转换模块、基底固定旋转模块。所述的安装固定底座属于设备的支撑部分，用于固定整个多功能系统；或者将多功能系统固定安装在金属淀积仪器中，实现不同设备与功能之间灵活、高效切换使用。所述的位移模块包含水平面内的x、y轴移动和竖直方向的z轴移动，每一个轴向位移精度很高，能够满足不同要求下的样品移动的需要，方便实现二维晶体材料转移过程中定位与对准，或者金属电极淀积用掩模版与样品之间的定位和对准。所述的多功能转换模块能够实现系统在二维晶体材料转移或者淀积用掩模版对准功能之间的切换。该模块不仅能够起到固定二维晶体材料或者淀积用掩模版的作用，而且在转移对准或者掩模版对准过程中方便地调整二维晶体材料或者掩模版与基底之间的倾斜角度或者水平度，从而提高转移的成功率或者淀积金属电极的形貌与质量。所述的基底固定旋转模块不仅能够固定器件制备用的基底，同时能够实现对基底进行旋转，调节二维晶体材料或者淀积用掩模版与基底之间的相对角度。
7.进一步地，所述的安装固定底座位于整个多功能系统的最底端，其中包含有4个螺丝孔，用于整个多功能系统的固定。所述的安装固定底座，中间有一个尺寸较大的矩形孔，用于能够将多功能转换模块降至足够低的位置，使转移过程中的二维晶体材料，或者金属电极淀积中定位与对准的掩模版，都能够与基底之间有紧密、足够的接触。
8.进一步地，所述的位移模块包含了3个不同轴向(x、y、z)的单轴位移台。其中直接固定在安装固定底座上的是沿x轴方向水平移动的位移台，固定在x轴位移台上面的是沿y轴方向水平移动的位移台，z轴方向的位移台是通过转接板固定在y轴位移台上面的。不同方向的位移台能够通过调节轴与丝杆实现高精度的x、y、z方向移动。
9.进一步地，所述单轴位移台包括下面板、上面板、调节轴、丝杆、丝杆固定套、丝杆顶柱、导轨、拉伸弹簧；所述调节轴与丝杆相连，通过旋转调节轴带动丝杆转动；所述丝杆固定在丝杆固定套里面，通过旋转调节轴，丝杆通过内部螺纹线性移动；所述丝杆固定套上面标示有刻度，用于单轴位移台的高精度调节，并且丝杆固定套在下面板的侧边；所述丝杆最前端接触丝杆顶柱；所述丝杆顶柱固定在上面板的侧边，用于在丝杆线性移动的情况下，推动单轴位移台上面板线性移动；所述拉伸弹簧一端固定在下面板上的导轨内，拉伸弹簧的另一端固定在上面板的内部，拉伸弹簧产生与丝杆线性移动方向相反的拉力。所述导轨固定在下面板的上表面，用于限制拉伸弹簧运动方向和支撑上面板的移动。
10.进一步地，所述的多功能转换模块包括l型固定支架、第一固定螺丝、多功能转换片、第二固定螺丝、固定片、伸缩弹簧、第三固定螺丝；所述的l型固定支架侧边通过第一固定螺丝固定在沿z方向的单轴位移台面上，l型固定支架的底边起支撑固定作用；所述的多功能转换片能够固定需要转移对准的二维晶体材料或者金属淀积用掩模版；所述的固定片起固定多功能转换片的作用，并通过第二固定螺丝进行固定；所述的伸缩弹簧之间能够独立进行压缩调节，能够调节固定片的倾斜角度或者水平度，进而调节多功能转换片的倾斜角度或者水平度；所述的第三固定螺丝能够将伸缩弹簧固定在l型固定支架底边和固定片之间。
11.进一步地，多功能转换片能够进行更换。多功能转换片能够在材料转移功能和金属电极淀积功能之间更换。
12.进一步地，所述的基底固定旋转模块是一种r方向旋转装置，r方向旋转装置能够在360
°
范围内进行高精度调节；进一步的是，所述的基底固定旋转模块包括底座，齿轮，外壳，外壳把手；所述底座上面连接有齿轮，齿轮能够进行360
°
旋转；所述的外壳下面包含和齿轮配套的内齿，外壳能够通过内齿安装在齿轮上。所述的外壳把手能够带动外壳旋转，外壳通过内齿带动齿轮转动，从而实现基底固定模块的旋转。
13.第二方面，本技术还涉及一种用于二维材料微纳米器件制备的方法，将清洗后的si/sio2基底固定在多功能系统的基底固定旋转模块上，将粘有二维晶体材料的pdms固定在多功能系统的多功能转换片下表面；在显微镜观察下，调整多功能系统的位移模块，以及多功能转换片的水平度或者倾斜角度；用基底固定旋转模块调整二维晶体材料与si/sio2基底之间的相对角度；调整二维晶体材料与si/sio2基底之间的相对位置和距离，并且使二维晶体材料与si/sio2基底接近，直至两者紧密接触；二维晶体材料与基底完全紧密接触后，二维晶体材料依靠范德华力紧紧粘附在si/sio2基底的上表面，然后移动多功能系统的位移模块z轴方向，使多功能转换片及下面固定的pdms和si/sio2基底上的二维晶体材料分
离。
14.进一步地，将转移二维晶体材料后的si/sio2基底继续固定在多功能系统的基底固定旋转模块上面，仅更换多功能转换片，将淀积用掩模版固定在多功能转换片下面；在显微镜观察下，调整多功能系统的位移模块，以及多功能转换片的水平度或者倾斜角度；用基底固定旋转模块调整淀积用掩模版与转移二维晶体材料之间的相对角度；调整淀积用掩模版与转移二维晶体材料之间的相对位置和距离，并且使淀积用掩模版与转移二维晶体材料接近，直至两者紧密接触；将整个系统放置到金属淀积装置中进行金属电极淀积；金属淀积完成后，沿z轴方向移动多功能系统的位移模块，使多功能转换片及下面固定的淀积用掩模版和si/sio2基底上的转移二维晶体材料分离。
15.发明的有益效果：二维晶体材料具有丰富的电学、光学、磁学、力学等性质。通过一定的干法转移技术手段，能够制备基于二维晶体材料或者二维晶体材料异质结器件，成为研究的热点。
16.现实市场中存在二维晶体材料干法转移系统，但是这些转移系统往往体积大，兼容性差，价格昂贵等缺点。本发明首次实现了二维晶体材料干法转移系统的微型化设计，该系统具有兼容性好，便于改造，性能完备，价格低廉等优势。该多功能系统能够在绝大多属显微镜下使用，完成二维晶体材料的干法转移。
17.进一步，在材料转移之后，不需要额外繁琐的步骤，利用该多功能系统能够直接、高效地进行金属电极淀积的掩模版对准操作，对准操作完成以后就能够进行金属电极淀积。同时，该多功能系统能够兼容绝大多数金属淀积装置。从而高效、连贯性地实现了二维材料微纳米器件制备中关键工艺的多功能复用。
附图说明
18.图1是本发明一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统结构示意图；
19.图2是本发明单轴位移台结构示意图；
20.图3是本发明多功能转换模块结构示意图；
21.图4是本发明基底固定旋转模块结构示意图；
22.图5为本发明二维晶体材料与si/sio2基底的定位对准示意图；
23.图6为本发明二维晶体材料与si/sio2基底定位对准主视图；
24.图7为本发明二维晶体材料与si/sio2基底紧密接触示意图；
25.图8为本发明多功能转换片和pdms缓缓离开si/sio2基底表面示意图；
26.图9为本发明二维晶体材料粘附在si/sio2基底表面示意图；
27.图10为本发明掩模版与二维晶体材料的定位对准示意图；
28.图11为本发明掩模版与二维晶体材料定位对准主视图；
29.图12为本发明掩模版与si/sio2基底紧密接触示意图；
30.图13为本发明金属电极淀积示意图；
31.图14为本发明掩模版离开si/sio2基底表面示意图；
32.图15为金属电极淀积完毕示意图。
33.附图标记说明：安装固定底座1、位移模块2、转接板3、多功能转换模块4、基底固定旋转模块5、螺丝孔6、下面板7、丝杆顶柱8、调节轴90、丝杆91、丝杆固定套10、导轨11、拉伸
弹簧12、上面板13，l型固定支架14、第一固定螺丝15、第二固定螺丝16，固定片17、多功能转换片18、伸缩弹簧19、第三固定螺丝20、底座21、齿轮22、外壳23、外壳把手24、二维晶体材料25、pdms 26、si/sio2基底27、掩模版28、金属电极29。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
35.实施例一
36.如图1所示，本发明提供一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统。所述的多功能系统包括固定底座1、位移模块2、转接板3、多功能转换模块4、基底固定旋转模块5、螺丝孔6。
37.如图2所示，单轴位移台包括下面板7、上面板13、调节轴90、丝杆91、丝杆固定套10、丝杆顶柱8、导轨11、拉伸弹簧12。每个单轴位移台能够独立地实现x、y、z方向线性移动。旋转调节轴90能够带动丝杆91移动，丝杆91的移动能够推动丝杆顶柱移动，从而带动单轴位移台上面板的移动。拉伸弹簧产生与上面板运动方向相反且平衡的力，使上面板匀速移动。
38.如图3所示，多功能转换模块包括l型固定支架14、第一固定螺丝15、多功能转换片18、第二固定螺丝16、固定片17、伸缩弹簧19、第三固定螺丝20。将二维晶体材料样品或者金属淀积用掩模版固定在多功能转换模块的多功能转换片下表面，能够实现二维晶体材料干法转移或者金属电极淀积用掩模版的定位与对准。同时，通过独立调节伸缩弹簧的伸缩程度，实现多功能转换片的水平度或者倾斜角度调节的需求。
39.如图4所示，基底固定旋转模块包括底座21、齿轮22、外壳23、外壳把手24。推动外壳把手24，能够实现外壳23的转动。
40.如图5
‑
9所示，利用该多功能系统进行二维材料转移工艺流程示意图。
41.如图10
‑
15所示，利用该多功能系统进行金属电极淀积工艺流程示意图。
42.实施例二
43.首先进行的是二维晶体材料的干法转移。
44.如图5
‑
6所示，将清洗后的si/sio2基底固定在多功能系统的基底固定旋转模块上面，将粘有二维晶体材料的pdms固定在多功能系统的多功能转换片下表面。在显微镜观察下，调整多功能系统的位移模块(包括单轴位移台的x、y、z方向)以及多功能转换片的水平度或者倾斜角度；用基底固定旋转模块能够调整二维晶体材料与si/sio2基底之间的相对角度；在上述操作下，调整二维晶体材料与si/sio2基底之间的相对位置和距离，并且使二维晶体材料与si/sio2基底接近；如图7所示，调整二维晶体材料与基底之间的相对位置和距离，并且使二维晶体材料与基底接近，直至两者紧密接触；如图8所示，二维晶体材料与基底完全紧密接触，二维晶体材料依靠范德华力紧紧粘附在si/sio2基底的上表面，然后移动多功能系统的位移模块z轴方向，使多功能转换片及下面固定的pdms和si/sio2基底上的二维晶体材料分离。如图9所示，二维晶体材料紧紧粘附在si/sio2基底上面。至此步骤，利用该多功能系统完成了二维晶体材料的干法转移过程，也为下一步的金属电极淀积做准备。
45.接着按照相似的工艺流程进行金属电极淀积。
46.如图10
‑
11所示，材料转移完成之后，不需要额外的操作步骤。将转移二维晶体材
料后的si/sio2基底继续固定在多功能系统的基底固定旋转模块上面，仅更换多功能转换片，将淀积用掩模版固定在多功能转换片下面。在显微镜观察下，调整多功能系统的位移模块(包括单轴位移台的x、y、z方向)以及多功能转换片的水平度或者倾斜角度；用基底固定旋转模块能够调整淀积用掩模版与转移二维晶体材料之间的相对角度；在上述操作下，调整淀积用掩模版与转移二维晶体材料之间的相对位置和距离，并且使淀积用掩模版与转移二维晶体材料接近；如图12所示，调整淀积用掩模版与转移二维晶体材料之间的相对位置和距离，并且使淀积用掩模版与转移二维晶体材料接近，直至两者紧密接触。如图13所示，将整个系统放置到金属淀积装置中进行金属电极淀积；如图14
‑
15所示，金属淀积完成后，移动多功能系统的位移模块z轴方向，使多功能转换片及下面固定的淀积用掩模版和si/sio2基底上的转移二维晶体材料分离，就能够看到在转移二维晶体材料上面有高质量的淀积金属电极。
47.以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。

技术特征：

1.一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，其特征在于，它包括固定部分和可移动部分，其中，所述可移动部分能够从多个自由度调整二维晶体材料与基底之间的相对位置。2.根据权利要求1所述的一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，其特征在于，固定部分包括安装固定底座(1)，可移动部分包括位移模块(2)、多功能转换模块(4)、基底固定旋转模块(5)；所述位移模块(2)固定在所述安装固定底座(1)上面，用于带动多功能转换模块(4)移动；所述多功能转换模块(4)安装在所述位移模块(2)上面，用于带动二维晶体材料移动；所述基底固定旋转模块(5)用于固定基底，且能够调整二维晶体材料与基底之间的相对角度。3.根据权利要求2所述的一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，其特征在于，所述位移模块(2)包括三个单轴位移台，分别是控制x向移动的位移台、控制y向移动的位移台和控制z向移动的位移台；所述控制x向移动的位移台固定在所述安装固定底座(1)上面，所述控制y向移动的位移台固定在控制x向移动的位移台上面，所述控制z向移动的位移台通过转接板(3)固定在y向移动的位移台上面。4.根据权利要求3所述的一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，其特征在于，所述单轴位移台包括下面板(7)、上面板(13)、调节轴(90)、丝杆(91)、丝杆固定套(10)、丝杆顶柱(8)、导轨(11)、拉伸弹簧(12)；所述调节轴(90)与丝杆(91)相连，通过旋转调节轴(90)带动丝杆(91)转动；所述丝杆(91)固定在丝杆固定套(10)里面，通过旋转调节轴(90)，丝杆(91)通过螺纹线性移动；所述丝杆固定套(10)上标示有刻度，用于单轴位移台的高精度调节，并且丝杆固定套(10)在下面板(7)的侧面；所述丝杆(91)最前端接触丝杆顶柱(8)；所述丝杆顶柱(8)固定在上面板(13)的侧面，用于在丝杆(91)线性移动的情况下，推动单轴位移台上面板(13)线性移动；所述拉伸弹簧(12)一端在导轨(11)内固定，另一端与上面板(13)固定，拉伸弹簧(12)产生与丝杆(91)线性移动方向相反的拉力；所述导轨(11)固定在下面板(7)的上表面，用于引导拉伸弹簧(12)的运动方向和支撑上面板(13)的移动。5.根据权利要求2所述的一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，其特征在于，所述的多功能转换模块(4)包括l型固定支架(14)、第一固定螺丝(15)、多功能转换片(18)、第二固定螺丝(16)、固定片(17)、伸缩弹簧(19)、第三固定螺丝(20)；所述l型固定支架(14)侧面通过第一固定螺丝(15)固定在沿z向移动的单轴位移台上，l型固定支架(14)的底边起固定支撑作用；所述多功能转换片(18)能够固定需要转移对准的二维晶体材料或者淀积用掩模版；所述固定片(17)起固定多功能转换片(18)的作用，并通过第二固定螺丝(16)对多功能转换片(18)进行固定；多个所述伸缩弹簧(19)之间能够独立进行伸缩调节，能够调节固定片(17)的倾斜角度和水平度，进而调节多功能转换片(18)的倾斜角度和水平度；所述第三固定螺丝(20)可以将伸缩弹簧(19)固定在l型固定支架(14)底边和固定片(17)之间。6.根据权利要求2所述的一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，其特征在
于，所述基底固定旋转模块(5)包括底座(21)、齿轮(22)、外壳(23)和外壳把手(24)；所述底座(21)与齿轮(22)连接，齿轮(22)可以进行360
°
旋转；所述外壳(23)的内齿与齿轮(22)的外齿啮合；所述外壳把手(24)能够带动外壳(23)旋转，外壳(23)带动齿轮(22)转动，从而实现基底固定模块(5)的旋转。7.根据权利要求2至6任一项所述的一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统，其特征在于，多功能转换片能够在材料转移功能和金属电极淀积功能之间更换。8.一种用于二维材料微纳米器件制备的方法，其特征在于，将清洗后的si/sio2基底固定在多功能系统的基底固定旋转模块(5)上，将粘有二维晶体材料(25)的pdms(26)固定在多功能系统的多功能转换片(18)下表面；在显微镜观察下，调整多功能系统的位移模块(2)以及多功能转换片(18)的水平度或者倾斜角度；用基底固定旋转模块(5)调整二维晶体材料(25)与si/sio2基底之间的相对角度；调整二维晶体材料(25)与si/sio2基底之间的相对位置和距离，并且使二维晶体材料(25)与si/sio2基底接近，直至两者紧密接触；二维晶体材料(25)与基底完全紧密接触后，二维晶体材料(25)依靠范德华力紧紧粘附在si/sio2基底的上表面，然后移动多功能系统的位移模块(2)z轴方向，使多功能转换片及下面固定的pdms(26)和si/sio2基底上的二维晶体材料(25)分离。9.根据权利要求8所述的一种用于二维材料微纳米器件制备的方法，其特征在于，将转移二维晶体材料(25)后的si/sio2基底继续固定在多功能系统的基底固定旋转模块(5)上面，仅更换多功能转换片(18)，将淀积用掩模版(28)固定在多功能转换片(18)下面；在显微镜观察下，调整多功能系统的位移模块(2)；以及多功能转换片(18)的水平度或者倾斜角度；用基底固定旋转模块(5)调整淀积用掩模版(28)与二维晶体材料(25)之间的相对角度；调整淀积用掩模版(28)与二维晶体材料(25)之间的相对位置和距离，并且使淀积用掩模版(28)与二维晶体材料(25)接近，直至两者紧密接触；将整个系统放置到金属淀积装置中进行金属电极淀积；金属淀积结束后，沿z轴方向移动多功能系统的位移模块(2)，使多功能转换片(18)及下面固定的淀积用掩模版(28)和si/sio2基底上的二维晶体材料(25)分离。

技术总结

本申请提供一种用于二维材料微纳米器件制备的多功能系统及方法，该多功能系统包括安装固定底座、位移模块、多功能转换模块、基底固定旋转模块。其中，安装固定底座能够固定支撑整个多功能系统。位移模块可以独立地沿X、Y、Z三个方向线性移动，方便实现二维晶体材料样品与基底之间的定位和对准操作。多功能转换模块仅在更换多功能转换片的情况下，实现了二维晶体材料转移和金属电极淀积之间的功能切换。基底固定旋转模块不仅可以固定基底，还可以进行旋转操作，调整二维晶体材料或者金属淀积用掩模版与基底之间的相对角度，使该系统在材料转移和金属电极淀积实现上有更好的灵活性。移和金属电极淀积实现上有更好的灵活性。移和金属电极淀积实现上有更好的灵活性。