一种二维材料的晶向测试装置和方法与流程

1.本发明涉及晶向测试领域，更具体地讲，涉及一种二维材料的晶向测试装置和方法。


背景技术：

2.以石墨烯为代表的二维材料，具有和传统三维材料完全不同的物理特性，被认为是“后摩尔时代”的核心功能性材料之一。近年来，具有低对称性晶格结构(正交、单斜、三斜等)的二维材料受到越来越多的关注(infomat,2019,1(1):54
‑
73；pnas,2015,112(15):4523
‑
4530等)。这类材料在平面内的物理特性(光、热、力、电等)具有高度的各向异性，对于开发偏振敏感型光电探测器件等新型器件具有重要意义。二维材料面内晶体学取向的非接触、高效、无损测试是新型低对称结构的二维材料走向规模化应用的前提和基础。
3.传统的晶体学取向测试方法主要有x射线衍射(xrd)、背向散射电子衍射技术(ebsd)、透射电子显微镜(tem)等。xrd测试可提供晶体材料的结构和晶相等信息，但是x
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射线的直径一般在毫米量级，测试样品的尺度也需要在毫米量级。此外，该类测试需要材料具有一定的厚度，主要针对三维晶体和薄膜材料。只有原子层级厚的二维材料的xrd信号非常微弱，这使得xrd难以用于二维材料面内晶向的测试。ebsd和tem技术是利用电子束来鉴别样品结晶学方位的技术，可以用于测试二维材料的面内晶向分布。但是该两类测试只能在真空中开展相关实验，实验设备昂贵、操作复杂、效率极低。另外，在ebsd和tem测试过程中，需要复杂的制样过程，使得样品无法继续使用，这进一步限制其在规模化应用领域的使用。
4.利用二维材料的对偏振光吸收的各向异性，科研人员提出利用偏振吸收谱、偏振拉曼、光学二次谐波效应等方法，测试二维材料的晶向。在现有的测试方案中，科研人员需要不断调整样品与入射光偏振之间的夹角，测试效率低。特别的，对于晶圆级样品，该类方法需要在每个夹角下，逐点扫描，测试样品的晶向分布，测试效率低，测试数据量大，无法直接用于未来批量检测领域。
5.综述所述，发展一直非接触、高效、无损的二维材料晶向的测试方法，对于二维材料的快速发展及应用具有非常重要的意义。


技术实现要素：

6.本发明为了解决二维材料晶向测试速度慢、制样复杂的难题，提出了一种基于径向偏振光的二维材料的晶向测试装置和方法，利用二维材料对偏振光吸收的各向异性，将径向偏振光照射到二维材料的表面，利用ccd通过样品后的透射光斑的光强分布图，确定二维材料的晶格取向。
7.为此，本发明的一方面提供了一种二维材料的晶向测试装置，该测试装置沿光路依次包括激发光路、位移台和收集光路；激发光路，用于产生径向偏振光，并将径向偏振光聚焦到待测样品上；位移台，用于放置待测样品；收集光路，用于接收待测样品的透射光，并得到透射光斑的光强分布。
8.进一步地，激发光路包括：光源、空间滤波器、渐变衰减片、扩束镜、偏振片、径向偏振片、第一物镜；光源，用于产生光线；空间滤波器，用于滤除光源中的杂散光；渐变衰减片，用于调节入射光功率；扩束镜，用于光束扩束；偏振片，用于产生线偏振光；径向偏振片，用于产生径向偏振光；第一物镜，用于将径向偏振光聚焦到待测样品表面；收集光路包括第二物镜和ccd；其中第二物镜，用于收集透过待测样品的光；ccd用于显示透过待测样品的光斑形状。
9.进一步地，待测样品放置于激发光路与收集光路之间，待测样品为各向异性二维材料。
10.进一步地，待测样品放置于透明且各向同性的基底上。
11.进一步地，待测样品放置于扫描位移台上。
12.进一步地，径向偏振光的波长位于待测样品沿不同偏振方向吸收率最大的波长范围内。
13.本发明的再一方面提供了一种测试二维材料的晶向的方法，该方法包括：放置样品：将二维待测样品置于透明且各向同性的基底上；确定波长：通过测试待测样品的不同偏振方向入射光的吸收谱，得到待测样品的偏振光沿不同偏振方向吸收率最大的波长的波长范围，在波长范围内选取测试时径向偏振光的波长；将待测样品放在位移台上，通过激发光路向待测样品发射径向偏振光；通过收集光路接受待测样品的透射光，得到透射光斑的光强分布，根据光斑形状确定待测样品的晶向。
14.进一步地，待测样品是通过机械剥离得到或cvd生长的二维材料薄膜。
15.进一步地，待测样品为大面积样品时，可以利用径向偏振光对待测样品进行逐点扫描，通过获得透射光斑的扫描图像，确定大面积样品的晶向分布。
16.进一步地，位移台为电动扫描位移台，可带动待测样品移动完成逐点扫描。
17.本发明的二维材料的晶向测试装置采用简单的机械结构实现了非接触，无需调整样品与入射偏振光之间夹角的高效晶向测试，并且利用径向偏振光对大面积二维材料的扫描，还可高效的确定大面积二维材料的晶向分布。
附图说明
18.图1为本发明的二维材料的晶向测试装置示意图；
19.图2为径向偏振光通过二维材料前后的光强分布图；
20.图3为径向偏振光的偏振方向分布图；
21.图4为典型各向异性二维材料——黑磷的光学照片；
22.图5为典型各向异性二维材料——黑磷的对不同偏振方向的线偏振光的吸收谱数据；
23.附图标记说明：
[0024]1‑
激光器、2
‑
空间滤波器、3
‑
渐变衰减片、4
‑
扩束镜、5
‑
偏振片、6
‑
径向偏振片、7
‑
第一物镜、8
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待测样品、9
‑
第二物镜、10
‑
ccd。
具体实施方式
[0025]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施
方式中的附图对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
[0026]
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0027]
在本发明的附图中，需要理解的是，不具有相互替代性的不同技术特征显示在同一附图，仅是为了便于简化附图说明及减少附图数量，而不是指示或暗示参照所述附图进行描述的实施例包含所述附图中的所有技术特征，因此不能理解为对本发明的限制。
[0028]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0029]
下面对本发明中提供的二维材料的晶向测试装置及其各组成部分进行详细说明。本实施案例中，利用二维材料对偏振光吸收的各向异性，将径向偏振光照射到二维材料的表面，通过测试透射光斑的光强分布图，确定二维材料的晶格取向。
[0030]
图1示出了根据本发明示例性实施例二维材料的晶向测试装置，附图2为径向偏振光通过二维材料前后的光强分布图。
[0031]
如图1所示，根据本发明的示例性实施例，该装置沿光路依次包括激发光路、位移台和收集光路；
[0032]
激发光路，用于产生径向偏振光，并将径向偏振光聚焦到待测样品上；激发光路包括光源1、空间滤波器2、渐变衰减片3、扩束镜4、偏振片5、径向偏振片6和第一物镜7；由光源1发出的光线，本实施例中采用的光源1为激光器，激光器出射的激光光束依次经过空间滤波器2(如滤波片等，用于滤除光源中的杂散光)、渐变衰减片3(用于调节激光功率)、扩束镜4(用于激光扩束)、偏振片5(用于产生线偏振光)产生线偏振光，然后经过径向偏振片6(用于产生径向偏振光)产生具有特定强度、特定波长的径向偏振光。利用第一物镜7将径向偏振光聚焦到待测二维待测样品8的表面。
[0033]
位移台，用于放置待测样品；而在对大面积或晶圆级的二维材料进行晶向测试时，需要选用电动扫描位移台实现对二维材料的扫描；为了更好的保证测试效果，可选位移台的扫描精度优于1μm。
[0034]
收集光路，用于接收待测样品的透射光，并得到透射光斑的光强分布。收集光路包括第二物镜9和ccd10；其中第二物镜9，用于收集透过待测样品的光；ccd10用于显示透过待测样品的光斑形状。
[0035]
径向偏振光经过各向异性二维材料前后的光斑形状分别为环形和“两瓣”(见图2)。该径向偏振光为具有沿光轴对称的电场分布以及中空的圆环型光束结构的轴对称矢量光束。径向偏振光经透镜聚焦后产生的光斑为中空的圆环。如附图3所示为径向偏振光的偏
振方向分布图。“两瓣”光斑的对称轴即为二维材料光吸收最大的晶向(见图2中白色箭头标注的方向)，由此可以确定二维材料的晶向。
[0036]
待测样品为二维材料，如具有低对称性晶格结构(如正交、单斜、三斜等晶格结构)的各向异性二维材料，具体二维材料包括黑磷、gate、res2等，测试中待测样品需转移到石英、玻璃等透明各向同性明基底上。
[0037]
现结合测试装置对测试二维材料的晶向的方法进行说明：
[0038]
放置样品：将二维待测样品置于透明且各向同性的基底上；待测样品可为机械剥离样品(见图4)或cvd生长的二维材料薄膜或其他方式产生的待测样品，这里不进行限制；
[0039]
如图5所示，确定波长：通过测试待测样品的不同偏振方向入射光的吸收谱，得到通过待测样品的偏振光沿不同偏振方向吸收率最大的波长，本实施例中以黑磷为待测样品时，该波长范围为570nm
‑
580nm，在波长范围内任取一个波长作为测试时径向偏振光的波长，所选取的测试径向偏振光的波长为570nm。
[0040]
将待测样品放在位移台上，通过激发光路向待测样品发射径向偏振光；
[0041]
通过收集光路接受待测样品的透射光，得到透射光斑的光强分布，根据光斑形状确定待测样品的晶向。“两瓣”光斑的对称轴即为二维材料光吸收最大的晶向，由此可以确定二维材料的晶向。
[0042]
对于大面积或晶圆级的二维待测样品(如面积为4～12英寸)，可以利用第一物镜7聚焦径向偏振光对待测样品进行逐点扫描，获得透射光斑的扫描图像，可以确定大面积二维材料的晶向分布，即通过获得待测样品每一点透射光斑的图像，确定相应位置的待测样品的晶向，通过分析不同位置的透射光斑图像，确定大面积或晶圆级样品的晶格取向。对待测样品进行逐点扫描是通过电动扫描位移台的移动来实现的。
[0043]
综上所述，本发明提供的二维材料的晶向测试装置利用二维材料对偏振光吸收的各向异性，将径向偏振光照射到二维材料的表面，利用ccd通过样品后的透射光斑的光强分布图，确定二维材料的晶格取向，具有结构简单、能实现高效晶向测试的优点。
[0044]
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。