判定少层二维纳米材料晶向的方法与流程

本发明涉及纳米材料的制备及表征领域，特别是涉及一种判定少层二维纳米材料晶向的方法。

背景技术：

二维纳米材料是指具有外部尺寸或者组成相(至少一个维度)小于100nm的物质。二维纳米材料具有优异的电学、光学、热学和力学性能，在电子器件、催化、能量储存、传感和生物应用等领域有着重要的应用。自2004年石墨烯问世以来，二维纳米材料的研究由此拉开了盛大的序幕，以二硫化钼为代表的过渡金属硫族化合物半导体二维纳米材料，因其具有一定的厚度相关带隙，在电子器件、光电探测器件等领域具有非常重要的应用前景。

机械剥离法是制备二维纳米材料薄膜的重要方法之一，其可以获得几十微米量级尺寸的具有高晶体质量的单层和少层二维纳米材料，确定机械剥离二维纳米材料薄膜的晶向十分重要，能为进一步研究二维纳米材料的电学、光学、力学等性质打下基础。

目前确定二维纳米材料晶向的方法有透射电子显微镜、原子力显微镜等分析方法，透射电子显微镜可以表征二维纳米材料的晶体结构、缺陷等，但是机械剥离二维纳米材料薄膜的透射电子显微镜制样比较复杂，而且表征后的二维纳米材料不能再用于其他的性能测量和应用；原子力显微镜可以对二维纳米材料薄膜的形貌进行扫描，原子级成像可以实现对二维纳米材料薄膜晶向的表征，但是对实验系统要求比较高、测量时间比较久。

技术实现要素：

基于此，有必要针对二维纳米材料晶向判定复杂、时间长的问题，提供一种判定少层二维纳米材料晶向的方法。

本发明提供一种判定少层二维纳米材料晶向的方法，包括以下步骤：

提供机械剥离的少层二维纳米材料；

通过光学显微镜观察所述少层二维纳米材料，寻找所述少层二维纳米材料中夹角为60°或120°的相邻的两个断裂边缘；以及

判断所述断裂边缘的方向为所述少层二维纳米材料的zigzag方向。

在其中一个实施例中，所述少层二维纳米材料的厚度小于100纳米。

在其中一个实施例中，所述少层二维纳米材料的原子层数为1层至100层。

在其中一个实施例中，所述二维纳米材料包括石墨烯、六方氮化硼、石墨相氮化碳和过渡金属硫族化合物中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述过渡金属硫族化合物为二硫化钼、二硫化钛、二硒化钛、二硒化铌、二硫化钽或二硫化钨。

在其中一个实施例中，所述少层二维纳米材料的制备方法包括：

将第一胶带粘贴在所述少层二维纳米材料对应的块状晶体表面；以及

将所述第一胶带从所述块状晶体表面撕下，使二维纳米材料被所述第一胶带粘附从而与所述晶体表面剥离。

在其中一个实施例中，所述少层二维纳米材料的制备方法还包括：

将第二胶带贴合在所述第一胶带上，并与所述二维纳米材料贴合；

将所述第二胶带与所述第一胶带撕开；以及

重复所述贴合与撕开的步骤，从而使所述二维纳米材料的厚度减薄。

在其中一个实施例中，所述重复次数为2-4次。

在其中一个实施例中，所述少层二维纳米材料的制备方法进一步包括，将所述二维纳米材料转移至透明基底。

在其中一个实施例中，所述光学显微镜为100-1000倍的光学显微镜。

本发明提供的判定少层二维纳米材料晶向的方法，机械剥离得到具有平直断裂边缘的少层二维纳米材料，利用光学显微镜观察二维纳米材料中两个相邻的断裂边缘，若相邻的两个断裂边缘的夹角为60°或120°，则该断裂边缘即为少层二维纳米材料的zigzag方向。本发明提供的快速判定少层二维纳米材料的方法，仅需要利用光学显微镜，不会对少层二维纳米材料的表面形貌特征和晶体结构性质造成破坏，制备简单易行，判断快速直接，成本较低，也避免了晶向判断后二维纳米材料无法再利用的情况，为进一步研究二硫化钼薄膜材料的物理特性打下了基础。

附图说明

图1为二维纳米材料zigzag方向示意图；

图2为本发明一实施少层二维纳米材料的转移步骤示意图；

图3为二硫化钼薄膜断裂边缘的光学显微镜图；

图4a为本发明一实施例二硫化钼薄膜断裂的光学显微镜图；

图4b为图4a所示二硫化钼薄膜断裂边缘附近区域的原子力显微镜图。

其中，少层二维纳米材料1，第一胶带2，第二胶带3，透明基底4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，在二维纳米材料中，zigzag方向和armchair方向分别为呈六边形环状排列的原子在二维平面上形成的锯齿形边缘的方向和扶手椅形边缘的方向。

本发明提供一种判定少层二维纳米材料晶向的方法，包括以下步骤：

s1、提供机械剥离的少层二维纳米材料；

s2、通过光学显微镜观察所述少层二维纳米材料，寻找所述少层二维纳米材料中夹角为60°或120°的相邻的两个断裂边缘；

s3、判断所述断裂边缘的方向为所述少层二维纳米材料的zigzag方向。

发明人通过研究发现，采用机械剥离方法制备的少层二维纳米材料样品，其断裂特性表现出明显的取向性，通过光学显微镜观察，寻找所述少层二维纳米材料中夹角为60°或120°的相邻的两个断裂边缘，即可确定zigzag方向，从而判断少层二维纳米材料的晶向。本发明所述判定少层二维纳米材料晶向的方法，不会对二维纳米材料造成破坏，并且简单易行、快速直接、成本较低。

所述二维纳米材料为呈六边形环状排列的原子形成的原子层相互层叠形成。优选的，所述少层二维纳米材料的厚度小于100纳米，所述少层二维纳米材料的原子层数为1层至100层。层数越少材料的透明度越好，越容易判断二维纳米材料实际的断裂边缘。

所述二维纳米材料包括但不限于石墨烯、六方氮化硼、石墨相氮化碳和过渡金属硫族化合物中的至少一种。所述过渡金属硫族化合物例如可以为二硫化钼、二硫化钛、二硒化钛、二硒化铌、二硫化钽或二硫化钨。

在一实施例中，所述少层二维纳米材料的制备方法包括：

将第一胶带粘贴在所述少层二维纳米材料对应的块状晶体表面；以及

将所述第一胶带从所述块状晶体表面撕下，使二维纳米材料被所述第一胶带粘附从而与所述晶体表面剥离。

所述块状晶体优选表层光亮、损伤较小的块状晶体。在一实施例中，所述二维纳米材料为二硫化钼，所述块状晶体为辉钼矿。在另一实施例中，所述二维纳米材料为石墨烯，所述块状晶体为石墨。

请参阅图2，在一实施例中，所述少层二维纳米材料的制备方法还包括：

将第二胶带3贴合在所述第一胶带2上，并与所述二维纳米材料1贴合；

将所述第二胶带3与所述第一胶带2撕开；以及

重复所述贴合与撕开的步骤，从而使所述二维纳米材料1的厚度减薄。

在重复贴合与撕开的过程中，第二胶带3粘附二维纳米材料1暴露的表面，并从该表面剥离部分二维纳米材料层，从而使留在第一胶带2上的二维纳材料1的厚度减薄到合适的厚度。优选的，所述重复次数为2-4次。

为了更清楚的观察所述少层二维纳米材料，优选的，所述少层二维纳米材料的制备方法进一步包括，将所述二维纳米材料1转移至透明基底4。在显微镜下能够通过透明基底4更清楚的观察所述少层二维纳米材料的断裂边缘，更有利于判断所述相邻两个断裂边缘的夹角。

所述透明基底4相对于所述胶带可以与所述二维纳米材料具有更大的粘附力，在一实施例中，所述透明基底的材料为聚二甲基硅氧烷(pdms)。在一实施例中，所述透明基底4贴合在粘附有所述二维纳米材料1的胶带上，例如所述第一胶带2或第二胶带3上，然后将所述胶带撕下，使所述二维纳米材料1转移到所述透明基底4上。所述透明基底4具有合适的尺寸，能够覆盖所述少层二维纳米材料1。

为了方便所述少层二维纳米材料转移至所述透明基底4，优选的，先将所述透明基底4固定，再将所述胶带撕下。所述的固定方法包括但不限于，将所述透明基底4置于实验台或者其他的平台上，用镊子将所述透明基底4固定。

为保证所述少层二维纳米材料能够完整转移到所述透明基底4上，优选的，所述第胶带沿一个方向缓慢的从所述透明基底4上撕下。

在一实施例中，所述光学显微镜为100-1000倍的光学显微镜。在光学显微镜的透射光模式下，可以观察到所述少层二维纳米材料表现出明显的厚度相关透明度。机械剥离的方法容易在二维纳米材料从三维晶体表面分离时沿原子排列方向断裂，通过观察所述少层二维纳米材料可以发现其局部具有平直的断裂边缘，通过寻找夹角为60°或120°的相邻两个断裂边缘，可以判断该断裂边缘的方向即为所述少层二维纳米材料的zigzag方向。

请参阅图3，在一实施例中，所述少层二维纳米材料为少层二硫化钼薄膜，在光学显微镜下观察到的所述少层二硫化钼薄膜中夹角为60°或120°的相邻两个断裂边缘如图3中白色虚线所述，所述白色虚线的方向即为所述少层二硫化钼薄膜的zigzag方向。

请参阅图4a和4b，通过原子力显微镜对图4a中的所述少层二硫化钼薄膜断裂边缘附近的区域进行形貌扫描，如图4b所示，通过对原子力显微镜成像分析发现图4a中少层二硫化钼薄膜的断裂边缘方向和图4b中通过原子力显微镜成像得到的二硫化钼晶体zigzag方向几乎一致。图4a中示出了光学显微镜下少层二硫化钼薄膜的满足相邻夹角为60°的其中一条断裂边缘方向，用白色虚线标记；图4b中示出了二硫化钼晶体zigzag方向，用灰色虚线标记；白色虚线与灰色虚线方向相差4°，基本一致，证明了该断裂边缘方向即为所述少层二硫化钼薄膜zigzag方向。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。