一种基于二次谐波原位监测的扭曲异质结的制备装置的制作方法

本实用新型属于新型电子器件制备领域，特别涉及一种利用二维材料二次谐波型号实现全光学、非破坏性的、原位监测二维材料晶体的晶格取向，并可分别对目标样品和待转移样品进行进行角度标定。

背景技术：

扭曲二维异质结，是指将二维材料或低维材料垂直堆叠在一起，而且层与层之间的晶格取向有一定夹角，例如双层扭曲石墨烯、mx2/mos2等。这种扭曲二维异质结通过层间的范德华相互作用力及晶格相互作用，会对原有的本征材料的能带结构及关联强度产生极大影响，展现出超导、莫特绝缘、宏观磁性、量子霍尔效应等多种新奇的材料特性，并且这些特性可以通过扭曲角度进行调制，从而具有广泛的研究空间和应用前景。但这种扭曲二维异质结的制备，依然比较困难，且精度比较低，仅能够通过材料的宏观光学外形去判断晶格取向角度，难以识别材料的实际晶轴位置，并且对于材料尺寸有极大的限制【文献1】。常见的晶轴判断方式有透射电镜法和二次谐波光学法，其中透射电镜法的电子束波长比可见光和紫外光短得多，而且能量很高，能够轻松得到样品的晶格排布、厚度和密度等信息，从而解析出整个样品晶体信息，但这种方法会对样品产生极大地破坏性，且制样麻烦、设备造价昂贵，需要专门的操作人员进行操作，无法同扭曲二维异质结的制备过程兼容。对于非中心对称的材料，当入射光照射到材料上时，在二阶非线性极化效应作用下，产生频率为二倍入射光频率的光信号输出，即所谓二维谐波非线性光学效应。而对于二维材料体系，二次谐波效应与材料的晶体结构的对称性直接相关，其强度对材料的晶格对称性等非常敏感，通过探测二次谐波的强度随角度变化的分布图，就能解析出对应晶体结构，具有无损、简单快捷、应用范围广等特点，能够实现各种复杂环境中的材料进行非接触测量，且能够分析局域的应变情况。但该方法目前通常用在样品测试分析阶段，并没有同样品制备过程有机结合，并且测试样品台设计较简单，无法满足多轴精密移动的要求【文献2】。

其中，文献1：扭转双层石墨烯物理性质、制备方法及其应用的研究进展，actaphysicasinica,67,246802(2018)；

文献2：一维/二维半导体纳米结构的二次谐波和双光子吸收特性研究，刘为为，华中科技大学博士论文，2017年。

技术实现要素：

发明目的：本实用新型针对上述不足，提出了一种基于二次谐波原位监测的扭曲异质结的制备装置，实现全光学、非破坏性的、原位监测二维材料晶体的晶格取向，并可分别对目标样品和待转移样品进行进行角度标定，能够实现任意角度扭曲二维异质结的制备，从而能够极大的拓展扭曲器件的设计和制造能力，探索更多新奇物理特性和实现器件的的规模化生产。

技术方案：

一种基于二次谐波原位监测的扭曲二维异质结的制备装置，包括：

目标样品台，用于放目标样品的衬底，并根据扭曲角度需要转动目标样品；

转移样品台，用于将转移样品转移至目标样品台的目标样品上方，并将转移样品贴合在目标样品上；

二次谐波信号激发光路，用于不同偏振方向的入射激光信号入射至目标样品或转移样品上，激发出相应的二次谐波信号；

二次谐波信号收集光路，用于收集入射激光信号激发的二次谐波信号，并传输至二次谐波信号探测器；

二次谐波信号探测器，用于对二次谐波信号收集光路收集的二次谐波信号进行探测得到相应偏振方向的入射激光信号的二次谐波信号强度。

在所述目标样品台内设有加热装置，在所述目标样品台上设有压覆有手撕或cvd二维材料目标样品的衬底，在所述转移样品台上设置有转移样品夹具，在所述转移样品夹具的下底面贴有热释放胶，在所述热释放胶上压覆有通过手撕或cvd法制得的二维材料样品，所述热释放胶没有样品的那一侧贴在所述转移样品夹具的下底面。

所述二次谐波信号激发光路为反射式光路，包括聚焦物镜、第二分束器、滤光片组、第一分束器、信号汇聚物镜以及明场成像ccd；

在所述目标样品台的上方设置所述聚焦物镜，在所述聚焦物镜上方设置所述第二分束器，所述第二分束器的安装角度为45°，在所述第二分束器上方设置所述滤光片组，在所述滤光片组上方设置所述第一分束器，所述第一分束器的安装角度为45°，在所述第一分束器上方设置所述信号汇聚物镜，在所述信号汇聚物镜上方设置所述二次谐波信号探测器，所述信号汇聚物镜的焦平面落在所述二次谐波信号探测器的入口端口上，在所述第一分束器的出口处设置有明场成像ccd。

所述二次谐波信号激发光路为投射式光路，包括激发信号聚焦物镜、第三分束器、明场成像ccd、信号收集聚焦物镜、滤光片组以及信号汇聚物镜；

在所述目标样品台上设有目标样品夹具，在所述目标样品夹具上设有压覆有手撕或cvd二维材料样品的衬底；

所述激发信号聚焦物镜设置在所述目标样品夹具上衬底的正下方，在所述激发信号聚焦物镜设有安装角度为45°的第三分束器，在所述第三分束器的出口处设置所述明场成像ccd；所述信号收集聚焦物镜设置在所述目标样品夹具上衬底的正上方，在所述信号收集聚焦物镜上方设置所述滤光片组，在所述滤光片组上方设置所述信号汇聚物镜，在所述信号汇聚物镜上方设置所述二次谐波信号探测器。

所述目标样品台安装在目标样品旋转台上，目标样品旋转台安装在目标样品电动台上；所述转移样品台包括转移样品电动台及安装在所述转移样品电动台上的转移样品旋转台。

所述目标样品台上放置的衬底为sio2/si衬底、云母衬底、铜网衬底或蓝宝石衬底。

所述热释放胶为pdms、pc或ppc。

二次谐波信号探测器根据其探测得到的相应偏振方向的入射激光信号的二次谐波信号强度绘制二次谐波强度随入射激光信号偏振角的变化关系图，解析出目标样品及转移样品相应的晶轴曲线，并对应记录下特征信号强度峰对应目标样品旋转台位置θ1，θ2…θn-1，θn，n是指特征峰的编号；及特征信号强度峰对应转移样品旋转台位置m是指特征峰的编号；并根据目标扭曲位错角的设计要求，对比θn和的关系后，计算出目标样品台需要旋转的角度。

入射激光信号采用的激光器是532nm，800nm、1064nm或1550nm波长的皮秒激光器或者800nm波长的飞秒激光器。

通过设置转移样品和目标样品用于纳米线与二维材料的异质结制备或三维晶体的垂直堆叠结构制备。

有益效果：本实用新型能够实现任意角度扭曲异质结的制备，从而能够极大的拓展扭曲器件的设计和制造能力，探索更多新奇物理特性和实现器件的的规模化生产。

附图说明

图1为本实用新型中目标样品进行二次谐波信号晶格取向测试示意图。

图2为本实用新型中转移样品进行二次谐波信号晶格取向测试示意图。

图3为本实用新型中采用投射式光路的结构示意图。

图4a为本实用新型中二维材料目标样品mos2和转移样品wse2扭曲二维异质结示意图，其中材料两者的设计晶轴夹角为30度。

图4b为本实用新型中目标样品mos2的二次谐波信号随角度变化关系图。

图4c为本实用新型中转移样品的二次谐波信号随角度变化关系。

其中，1为目标样品台，11为目标样品电动台，12为目标样品旋转台，13为目标样品夹具，2为转移样品台，21为转移样品电动台，22为转移样品旋转台，23为转移样品夹具，3为聚焦物镜，31为激发信号聚焦物镜，32为信号收集聚焦物镜，4为第二分束器，5为滤光片组，6为第一分束器，7为信号汇聚物镜，8为二次谐波信号探测器，9为明场成像ccd，10为第三分束器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。

图1为本实用新型中目标样品进行二次谐波信号晶格取向测试示意图，图2为本实用新型中转移样品进行二次谐波信号晶格取向测试示意图。如图1、2所示，本实用新型基于二次谐波原位监测的扭曲二维异质结的制备装置包括目标样品台1、转移样品台2、聚焦物镜3、第二分束器4、滤光片组5、第一分束器6、信号汇聚物镜7、二次谐波信号探测器8以及明场成像ccd9。目标样品台1安装在目标样品旋转台12上，目标样品旋转台12安装在目标样品电动台11上；转移样品台包括转移样品电动台21及安装在转移样品电动台21上的转移样品旋转台22，在转移样品旋转台22上设有转移样品夹具23。目标样品电动台11及转移样品电动台21都包含xyz三轴调节自由度。

本实用新型采用反射式二次谐波信号激发光路，如图1、2所示，在目标样品台1的上方设有聚焦物镜3，在聚焦物镜3上方设有第二分束器4，第二分束器4的安装角度为45度，在第二分束器4上方设有滤光片组5，滤光片组包含一片长波滤光片和一片窄带滤光片，在滤光片组5上方设有第一分束器6，所述第一分束器6的安装角度为45度，在第一分束器6上方设有信号汇聚物镜7，在信号汇聚物镜7上方设有二次谐波信号探测器8，信号汇聚物镜7的焦平面落在二次谐波信号探测器8的入口端口上，在第一分束器6的出口处设置有明场成像ccd9。

在目标样品台1上放置压覆有手撕或cvd二维材料样品的sio2/si衬底，明场成像ccd用于观察视场内的样品形貌，并选择合适的目标样品移动至视场中心；不同偏振方向的入射激光信号从第二分束器4的入口处射入射，并经过聚焦物镜3聚焦在目标样品或转移样品表面，样品激发出的二次谐波信号波长再经过聚焦物镜3收集以后经过滤光片组5过滤干扰信号，然后经过第一分束器6将光信号分成反射与透射两路，反射光进入明场相机9看样品的光学图像，透射光经过信号汇聚物镜7汇聚进入二次谐波信号探测器8，由二次谐波信号探测器8探测得到相应偏振方向的信号强度，进而得到二次谐波强度随激发光偏振角的变化关系图，从而能够解析出此时目标样品或转移样品的晶轴曲线，并对应记录下特征信号强度峰对应目标样品旋转台位置。

在pdms热释放胶上压覆通过手撕或cvd法制得的二维材料样品，再将pdms没有样品的那一侧贴在转移样品夹具23的下底面；转移样品夹具23设置在转移样品台2上，转移样品旋转台22将转移样品夹具23上的转移样品载入，并通过转移样品电动台21调整xyz方向的位置，使转移样品位于视场中心。

目标样品旋转台12根据实际需要调整目标样品的晶轴取向，转移样品电动台21调节转移样品在z轴方向下压，并调节xy轴方向位置，将转移样品和目标样品的位置调整至重合，并压至二者贴合。

在目标样品台内设有真空气管，同时在其内部周围埋有加热装置，使其具有真空吸附和加热功能，目标样品台加热pdms的热释放胶，使得转移样品在重力和异质结层间范德华力的作用下从pdms上脱落，形成目标夹角的扭曲二维异质结。

本实用新型还可以采用投射式二次谐波信号激发光路，如图3所示，在目标样品台1上设有目标样品夹具13，在目标样品夹具13上设有压覆有手撕或cvd二维材料样品的衬底，转移样品台2和目标样品台1分别设置在二次谐波信号激发光路两侧，目标样品台1通过目标样品夹具13将目标样品载入到二次谐波信号激发光路中；投射式二次谐波信号激发光路包括激发信号聚焦物镜31、第三分束器10、明场成像ccd9、信号收集聚焦物镜32、滤光片组5以及信号汇聚物镜7；

激发信号聚焦物镜31设置在目标样品夹具13上衬底的正下方，在激发信号聚焦物镜31设有安装角度为45°的第三分束器10，在第三分束器10的出口处设置明场成像ccd9；信号收集聚焦物镜32设置在目标样品夹具13上衬底的正上方，在信号收集聚焦物镜32上方设置滤光片组5，在滤光片组5上方设置信号汇聚物镜7，在信号汇聚物镜7上方设置二次谐波信号探测器8。

本实用新型还提供了一种基于二次谐波原位监测的扭曲二维异质结的制备方法，以下实施例为采用了反射式二次谐波信号激发光路的结构的异质结制备方法，包括如下步骤：

(1)将手撕或cvd二维材料样品压覆在sio2/si衬底上，并将衬底放置在目标样品台上，利用目标样品电动台调节样品z轴高度，并通过明场成像ccd观察样品形貌，选择合适的目标样品，移动至视场中央；

(2)在第二分束器入口处引入频率为ω＝1064nm的入射激光信号，通过第二分束器反射后，再通过聚焦物镜，聚焦在目标样品表面；

(3)样品激发出的二次谐波信号2ω＝532nm波长，经过聚焦物镜收集以后进入光路，经过滤光片组过滤掉干扰信号后，再经过信号汇聚透镜汇聚进入二次谐波信号探测器，记录下此时的信号强度；

(4)根据实际测试需要改变入射激光信号的偏振方向，例如偏振方向每10度或每30度转动一次，并重复(2)和(3)的测试过程，记录对应信号强度，即可做出二次谐波强度随激发光偏振角的变化关系图，如图4b所述，从而能够解析出此时目标样品的晶轴曲线，并对应记录下特征信号强度峰对应目标样品旋转台位置θ1，θ2…θn-1，θn；n是指特征峰的编号；

(5)通过手撕或cvd法制得二维材料样品后，将样品压覆在pdms热释放胶上，并将pdms没有样品的那一侧贴在在转移样品夹具下底面；由于转移样品夹具和pdms都是透明的，从上面仍然观察到转移样品；

(6)将转移样品通过转移样品旋转台载入，并调节转移样品电台xy方向位置和聚焦物镜z轴方向位置，使转移样品位于视场中心，并能够通过明场成像ccd清楚地观察样品形貌；

(7)在第二分束器入口处引入频率为ω＝1064nm的入射激光信号，通过分数器反射后，再通过聚焦物镜，聚焦在转移样品表面；

(8)转移样品激发出的二次谐波信号2ω＝532nm波长，经过聚焦物镜收集以后进入光路，经过滤光片组过滤掉干扰信号后，再经过信号汇聚透镜汇聚进入二次谐波信号探测器pmt，记录下此时的信号强度；

(9)改变入射激光信号的偏振方向，例如偏振方向每10度或每30度转动一次，并重复(7)和(8)的测试过程，记录对应信号强度，即可做出二次谐波强度随激发光偏振角的变化关系图，如图4c所示，从而能够解析出此时转移样品的晶轴曲线，并对应记录下特征信号强度峰对应转移样品旋转台位置m是指特征峰的编号；

(10)根据扭曲位错角的设计要求，如图4a所示，需要设计异质结样品晶轴夹角为30度。根据图4a的设计需要，对比θn和的关系后，计算出目标样品旋转台需要旋转的角度，通过旋转目标样品旋转台，调整目标样品的晶轴取向，从而使得异质结样品晶轴夹角达到设计的30度夹角；

(11)调节转移样品电动台，使得转移样品在z轴方向不断下压，调节xy方向位置，使得转移样品和目标样品位置互相重合，继续下压直至两者贴合。贴合后利用目标样品台的加热功能，使得pdms热释放胶的粘性减弱，转移样品在重力和异质结层间范德华力的作用下从pdms上脱落，即形成了30度夹角的扭曲二维异质结。

本实用新型还可以采用透射式二次谐波信号激发光路的结构的异质结制备方法，与反射式二次谐波信号激发光路的结构的异质结制备方法类似，在此不再赘述。

本实用新型实施例主要介绍了二次谐波原位监测的扭曲二维异质结的制备方法和装置，但不限于此，也可用在其他带点测试；

1)可利用于纳米线与二维材料的异质结制备，如zno纳米线与石墨烯的异质结构，zno纳米线与mos2的异质结构，zno纳米片与石墨烯的异质结构；zro2纳米线与石墨烯的异质结构；

2)可利用于三维晶体的垂直堆叠结构制备，如二维有机无机杂化钙钛矿ch3nh3pbx3(x代表卤族元素)堆叠结构；

本实用新型实施例采用了1064nm皮秒激光器作为二次谐波激发信号，但不限于此，也可采用其它类似激光器：可使用532nm，800nm或1550nm波长的皮秒激光器或使用800nm波长的飞秒激光器。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本实用新型的保护。