一种二维纳米材料各向异性的快速检测方法与流程

本发明涉及化学测试技术领域，具体涉及一种二维纳米材料各向异性的快速检测方法。

背景技术：

二维黑磷作为一种新型的二维半导体材料吸引了研究人员的广泛关注。特别地，和其它具有高对称性的材料相比，黑磷具有独特的面内各向异性，源自于其晶体结构的不对称性，即沿着黑磷面内互相垂直的两个方向：扶手椅方向和z字型方向，其晶体结构分别呈现出折叠形和山脊形，导致沿这两个方向的原子间共价键的键长和键角的不同，使得黑磷的物理、化学、力学及热学等性质沿着不同的晶体方向呈现显著差异。

现有针对二维黑磷各向异性的检测方法主要通过其在光学、电子学、热学、力学方面的表征来间接分析，如在光学方面，黑磷的各向异性体现在偏振度可分辨的光吸收谱、消光光谱、透射光谱、反射光谱、光致发光谱和光电流谱等多个方面；在电子学方面，黑磷的电子和空穴的有效质量呈现出明显的各向异性，在宏观上体现为沿着不同晶向的载流子迁移率和电导率的差异；在热学方面，黑磷各向异性的热导率主要来源于各向异性的声子分布，可通过微区拉曼谱和时域热反射谱来测量；在力学方面，黑磷的各向异性主要体现在其杨氏模量和谐振频率沿不同方向的差异，可通过原子力显微镜和机械测试等手段进行分析；而更直观的检测方法为拉曼光谱检测，其拉曼振动的特征峰值有一定的各向异性，面内b2g和ag²的zigzag(之字形)方向具有更大峰值，而ag¹的峰强armchair(扶手椅)方向更大，但需要十分复杂的数据处理和分析过程，且会对二维黑磷纳米片造成损坏。

综上，现有针对二维纳米材料各向异性的检测方法，不仅需要很精密贵重的检测测试设备，以及复杂的数据处理和分析，而且还存在对二维纳米片造成一定程度的损坏。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种二维纳米材料各向异性的快速检测方法。

本发明实施例提供一种二维纳米材料各向异性的快速检测方法，其包括如下步骤：

制备二维纳米材料样本；

将制备好的所述二维纳米材料样本固定到光学显微镜的载物台上；

对所述二维纳米材料样品表面进行加湿；

利用光学显微镜对所述二维纳米材料样品表面进行图像采集，获取液滴在所述二维纳米材料样品表面的分布情况；

根据液滴在所述二维纳米材料样品表面的分布情况，确定所述二维纳米材料样品的各向异性。

本发明实施例提供的二维纳米材料各向异性的快速检测方法，首先使二维纳米片表面吸附液滴，利用光学显微镜对其表面进行图像采集，并根据液滴在二维纳米片表面的分布情况，确定该二维纳米片样品的各向异性；所需实验设备简单、且操作方便、快速，只需短短几十秒即可检测出二维纳米片的之字形方向和扶手椅方向，另外，该检测方法准确率高，且对二维纳米片样品无任何损坏，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为二维黑磷纳米片样品表面的光学显微镜图像：a、c加湿前；b、d加湿后；

图2为二维石墨烯纳米片样品表面的光学显微镜图像：a、c.加湿前；b、d.加湿后；

图3为二维硫化钼纳米片样品表面的光学显微镜图像：a、c.加湿前；b、d.加湿后；

图4为二维黑鳞纳米片样品的偏振拉曼光谱测试结果：a.拉曼图谱；b.拉曼峰ag¹强度与入射角度的图像；c.二维黑鳞纳米片样品加湿后的光学显微镜图像；

图5为不同润湿次数下的二维黑磷纳米片样品的原位拉曼光谱原位测试结果；

图6为液滴在二维黑磷纳米片样品表面分布的示意图：a.侧视图；b.俯视图。

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，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种二维纳米材料各向异性的快速检测方法，其包括如下步骤：

s01：制备二维纳米材料样本；

s02：将制备好的所述二维纳米材料样本固定到光学显微镜的载物台上；

s03：对所述二维纳米材料样品表面进行加湿；

s04：利用光学显微镜对所述二维纳米材料样品表面进行图像采集，获取液滴在所述二维纳米材料样品表面的分布情况；

s05：根据液滴在所述二维纳米材料样品表面的分布情况，确定所述二维纳米材料样品的各向异性。

步骤s01具体包括：将二维纳米材料置于胶带上，利用胶带的粘性反复粘合，得到二维材料纳米片；将所述二维材料纳米片用聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜作为介质转移到清洗干净后的载物片表面上；其中，所述载物片可以为任何表面平整的板块，如sio2/si晶片、盖玻片等；所述二维纳米材料为具有各向异性的材料，包括二维黑磷、合金、扭曲1t相结构的过渡金属硫族化物(1t’-tmds)、正交相的iv族金属硫族化物(givmcs)以及一些iv-v族半导体(如ge2as、ge2s、ges、gese、sns、snse)等。

步骤s03具体包括：利用加湿器对所述二维纳米材料样品表面进行逐渐加湿，即通过加湿器不断产生喷雾，喷雾包含数百万个非常小的液滴，这些小液滴容易被纳米片所吸附；其中，所述加湿器内部溶液为水或有机溶剂。

步骤s04具体包括：通过光学显微镜对所述二维纳米材料样品表面进行加湿的过程进行录像；或者通过光学显微镜观察液滴在所述二维纳米材料样品表面的分布情况；当观察到二维纳米材料样品表面出现椭圆形液滴时，对所述二维纳米材料样品表面进行拍摄，拍摄包括录像和拍照。

步骤s05具体包括：将分布在所述二维纳米材料样品表面上的椭圆形液滴的长轴方向确定为所述二维纳米材料样品的zigzag(之字形)方向；将所述椭圆形液滴的短轴方向确定为所述二维纳米材料样品的armchair(扶手椅)方向。

下面结合具体实施例(以二维黑磷为例)对本发明的具体实现进行详细描述，其他二维材料的测试过程及原理类似，在此不另外赘述。

实施例1

首先，利用机械剥离的方法对二维黑磷块状晶体进行样本制备，即取一定量的黑磷块状晶体放于胶带上，利用胶带的粘性反复粘合，得到二维黑磷纳米片，将所制得二维黑磷纳米片用pdms薄膜作为介质转移到sio2/si晶片的表面，其中sio2的厚度约为300nm；然后立即将制备好的二维黑磷纳米片样品固定到光学显微镜的载物台上进行观察，利用加湿器对二维黑磷纳米片样品表面进行逐渐加湿，并通过光学显微镜对二维黑磷纳米片样品表面进行加湿的过程进行录像；最后，根据水滴在二维黑磷纳米片样品表面的分布情况，确定该二维黑磷纳米片样品的各向异性，即将分布在该二维黑磷纳米片样品表面上的椭圆形水滴的长轴方向确定为其zigzag方向；将椭圆形水滴的短轴方向确定为其armchair方向。

对比例1

首先，利用机械剥离的方法对二维石墨烯块状晶体进行样本制备，即取一定量的石墨烯块状晶体放于胶带上，利用胶带的粘性反复粘合，得到二维石墨烯纳米片，将所制得二维石墨烯纳米片用pdms薄膜作为介质转移到sio2/si晶片的表面，其中sio2的厚度约为300nm；然后立即将制备好的二维石墨烯纳米片样品固定到光学显微镜的载物台上进行观察，利用加湿器对二维石墨烯纳米片样品表面进行逐渐加湿，并通过光学显微镜对二维石墨烯纳米片样品表面进行加湿的过程进行录像；并将二维石墨烯纳米片样品表面加湿前后的图像进行截取。

对比例2

首先，利用机械剥离的方法对二维硫化钼块状晶体进行样本制备，即取一定量的硫化钼块状晶体放于胶带上，利用胶带的粘性反复粘合，得到二维硫化钼纳米片，将所制得二维硫化钼纳米片用pdms薄膜作为介质转移到sio2/si晶片的表面，其中sio2的厚度约为300nm；然后立即将制备好的二维硫化钼纳米片样品固定到光学显微镜的载物台上进行观察，利用加湿器对二维硫化钼纳米片样品表面进行逐渐加湿，并通过光学显微镜对二维硫化钼纳米片样品表面进行加湿的过程进行录像，并将二维硫化钼纳米片样品表面加湿前后的图像进行截取。

由图1-3，本发明实施例1的二维黑磷纳米片、对比例1的二维石墨烯纳米片样品及对比例2的二维硫化钼纳米片样品表面的光学显微镜图像可知，水滴在二维黑磷纳米片样品表面呈现椭圆形，而水滴在不具有各向异性的二维石墨烯纳米片样品与二维硫化钼纳米片样品表面呈现为圆形，恰恰体现了二维黑磷的各向异性，同时，将椭圆形水滴的长轴方向确定为其zigzag方向；将椭圆形水滴的短轴方向确定为其armchair方向。

为了进一步确认二维黑磷纳米片的zigzag方向与armchair方向，本发明实施例1对图1中的二维黑磷纳米片(图4c)进行偏振拉曼的测试，每测试一次旋转入射光角度30°，然后用拉曼光谱测试二维黑磷纳米片在不同入射角度的光的拉曼图谱，如图4a所示；进一步，根据图4a中各个拉曼峰ag¹、b2g、ag²的强度，在极坐标中画出入射角度和拉曼峰强度的图像，以ag¹为例，如图4b所示；由图4b可以看出，通过小水滴各向异性的分布情况来测试黑磷纳米片各向异性的结果与偏振拉曼的测试结果高度吻合，说明本发明所提供的二维纳米材料各向异性的快速检测方法，所需实验设备简单、且操作方便、快速，只需短短几十秒即可检测出二维纳米片的zigzag方向和armchair方向，且检测结果准确率高、非常可靠。

为了证明水喷雾不会对二维黑磷纳米片样品造成损坏，本发明继续将实施例1中的二维黑磷纳米片样品进行原位拉曼光谱原位测试（图5），将二维黑磷纳米片样品分别进行一次水润湿，及十次水润湿，结果表明同一测试点ag¹、b2g、ag²的拉曼峰位置和峰强度均未发生变化，足以证实了本发明实施例1以水滴各向异性润湿来识别二维黑磷纳米片各向异性的方法对样品本身是完全无损的。

本发明实施例提供的二维纳米材料各向异性的快速检测方法，首先使二维纳米片表面吸附液滴，利用光学显微镜对其表面进行图像采集，并根据液滴在二维纳米片表面的分布情况，确定该二维纳米片样品的各向异性；所需实验设备简单、且操作方便、快速，只需短短几十秒即可检测出二维纳米片的zigzag方向和armchair方向，另外，该检测方法准确率高，且对二维纳米片样品无任何损坏，具有广阔的应用前景。

值得注意的是，各向异性润湿还牵涉到水滴在二维黑磷纳米片表面上的润湿性和非均匀分布，即各向异性润湿的物理因素主要有以下两个方面，1)液体在固体表明的不连续分布(陡峭的固体边缘)；2)化学异质性。本发明的测试原理是依据于纳米级和微米级的表面结构(沟槽、平行柱、皱纹)可导致液滴湿润现象的可见变化，具体而言，在具有显著沟槽结构的二维黑磷纳米片上，液滴的各向异性润湿仅依赖于二维黑磷自身的润湿性质，水滴悬浮在凸出的沟槽结构上，而不直接接触底部的磷原子；凸出的沟槽结构足够的深，并且为矩形(如图6所示)，而不是三角形或正弦轮廓，这样很容易导致液滴和沟槽结构中间形成空气层，即凸出的沟槽结构是产生如此大的液滴各向异性分布的主要原因。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。