一种角度可调范德华异质结及电极制备的装置

1.本发明涉及微纳材料及结构加工技术，特别涉及一种角度可调范德华异质结及电极制备的装置。


背景技术：

2.硅基半导体材料在极限尺寸下由于量子限域效应其电学性能显著衰退，探索与硅基技术兼容的新材料是后摩尔时代的机遇与挑战。石墨烯和过渡金属硫化物等二维层状材料，具有优异的光电性能，并且由于层间无悬挂键，可以通过堆叠任意构造范德华异质结而不需要考虑晶格匹配，有望实现优势共享并用于各类光电器件的设计。现有技术制备范德华异质结往往涉及到化学试剂，不可避免的会引入较多的界面杂质；同时干法转移制备范德华异质结又无法实现对准角度的调整，而范德华异质结光电器件的性能往往依赖于层与层之间的界面品质以及层与层之间的堆叠角度。同时由于层层堆叠使得范德华异质结结区面积往往较小，器件的构造又需要在异质结上设计加工微纳图形，如电极等，而现有仪器通常使用紫外光刻机和电子束曝光设备来实现，成本昂贵、操作复杂。


技术实现要素：

3.发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种角度可调范德华异质结及电极制备的装置。
4.技术方案：本发明的一种角度可调范德华异质结及电极制备的装置，包括三维夹持臂模块、凸形旋转台模块、样品电极掩膜模块，通过三维夹持臂模块实现样品电极掩膜模块在空间三维的移动，样品电极掩膜模块用于放置样品或电极掩膜版，凸形旋转台模块用于实现固定在其上面样品的平面旋转，通过旋转进而改变样品之间的相对对准角度；所述样品电极掩膜模块固定在三维夹持臂模块，所述凸形旋转台模块设置在样品电极掩膜模块的正下方，所述凸形旋转台模块包括从下到上依次设置的旋转台、凸型垫块以及弹性泡棉胶，所述旋转台固定在显微镜的载物台上方，所述凸型垫块固定在旋转台上方，所述弹性泡棉胶固定在凸型垫块上方，通过弹性泡棉胶的弹力提供在对准上下两样品对准过程中出现的位移补偿，衬底通过粘性胶带固定在弹性泡棉胶上。
5.进一步，所述三维夹持臂模块包括夹持臂、三维位移台和垫块，所述夹持臂固定在三维位移台，实现夹持臂的三维移动，所述三维位移台固定在垫块上方，所述垫块底部两侧带有u型槽，方便在光学平台上的固定以及移动；所述夹持臂的一端设有深度的凹槽，所述样品电极掩膜模块插入到凹槽内固定在夹持臂上。
6.进一步，所述样品电极掩膜模块包括载玻片和pdms，所述pdms固定在载玻片的下表面，样品放置在pdms的下表面，所述载玻片插入夹持臂的凹槽内固定。
7.进一步，为了实现范德华异质结与电极图形接触处的光刻胶曝光，该装置还包括紫外曝光灯模块，所述紫外曝光灯模块为紫外灯灯珠阵列并联焊接在电路板上，并外接电源，电路板固定在可上下调节高度的光学支杆上，紫外灯灯珠阵列设置在样品电极掩膜模
块正上方。
8.进一步，在制备电极时，将载玻片更换成电极掩膜板，电极掩膜版为负性掩膜板，方便对准图形及观察样品。
9.有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明通过三维夹持臂以实现样品电极掩膜模块上样品的三维空间移动，将凸形旋转台模块固定在常规商用显微镜载物台上，通过旋转旋转台以实现样品之间相对角度的调节，通过弹性泡棉胶实现目标衬底的固定、对准接触过程出现的位移补偿，高产率、低污染的制备角度可调的范德华异质结；利用负性掩膜板实现电极或其它微纳图形的制备，具有操作简单、价格低廉的优点。
附图说明
10.图1为本发明结构示意图；
11.图2为wse2/mose2的范德华异质结；
12.图3为wse2/mose2的范德华异质结上制备的叉指电极图形。
具体实施方式
13.本实施例所述的一种角度可调范德华异质结及电极制备的装置，结构示意图如图1所示，包括三维夹持臂模块1、凸形旋转台模块2、样品电极掩膜模块3，样品电极掩膜模块3固定在三维夹持臂模块1，凸形旋转台模块2设置在样品电极掩膜模块3的正下方，凸形旋转台模块2包括从下到上依次设置的旋转台200、凸型垫块201以及弹性泡棉胶202，旋转台200固定在显微镜的载物台上方，凸型垫块201固定在旋转台200上方，弹性泡棉胶202固定在凸型垫块201上方，通过弹性泡棉胶202的弹力提供在对准上下两样品对准过程中出现的位移补偿，衬底通过粘性胶带固定在弹性泡棉胶202上。
14.三维夹持臂模块1包括夹持臂100、三维位移台101和垫块102，夹持臂100固定在三维位移台101，实现夹持臂100在空间三维微米级的移动。三维位移台101固定在垫块102上方，垫块102底部两侧带有u型槽，方便在光学平台上的固定以及移动。夹持臂100的一端设有深度的凹槽，样品电极掩膜模块3插入到凹槽内固定在夹持臂100上。
15.样品电极掩膜模块3包括载玻片300和pdms 301(聚二甲基硅氧烷)，pdms301固定在载玻片300的表面，pdms 301通常切割成5mm*5mm的尺寸，黏附在距载玻片300边界约1/3处。运用机械剥离的方法在pdms 301表面制备单层样品材料，将带有样品302的载玻片300倒置，固定在夹持臂100的凹槽内。凹槽宽2mm，在凹槽的上下两面各有三点定位的螺纹孔以固定载玻片300。
16.以下通过制备wse2/mose2的范德华异质结并在本实施例装置上制备电极图形来对本发明进行具体说明。
17.在距载玻片300边界约1/3处放置pdms柔性衬底，长、宽、厚为5mm*5mm*2mm；利用机械剥离的方法在两个pdms 300上分别制备出二维材料wse2和mose2，在光学显微镜下利用光学衬度和光致发光光谱确定其单层样品的属性，并拍下各自光学照片。
18.将凸型垫块201固定在旋转台上200，将旋转台200固定在显微镜的载物台上，在凸型垫块201上粘贴弹性泡棉胶202，弹性泡棉胶202表面需黏附3m低粘性胶带，并将300nm sio2/si硅片放置在弹性泡棉胶202上方。
19.将带有mose2的载玻片300倒置安装在夹持臂100上，通过固定在垫块102上的xyz三维位移台101将pdms 300移动到显微镜镜头焦点处，参照之前拍摄的mose2光学照片，在显微镜下找到单层mose2，沿竖直方向移动夹持臂100将mose2垂直偏离焦面。
20.利用显微镜载物台将凸型垫块201上的sio2/si移动至显微镜焦面处，沿竖直方向缓慢移动夹持臂100使得mose2不断接近硅片逐渐出现在视野中，继续移动至带有mose2的pdms 300与硅片缓慢接触直至贴附在硅片上。
21.沿竖直方向反向移动夹持臂100，使得pdms 300与硅片缓慢分离，mose2被释放到硅片衬底上。
22.取下载玻片300，将带有wse2的载玻片300安装在夹持臂100上，调节三维位移台101z轴直至wse2出现在视野中，此时缓慢调节三维位移台101x、y轴使得wse2处于mose2的正上方，反复使wse2和mose2交替出现在视野中，以确定两者的相对位置，手动旋转旋转台200确定wse2与mose2的堆叠角度。使mose2处在显微镜焦面处，移动夹持臂100z轴，使带有wse2的pdms 300逐渐与硅片接触，同时微调三维位移台101x、y轴保持wse2在mose2的正上方，至pdms 300贴附硅片同时二维材料wse2与mose2完全接触。
23.向上竖直移动夹持臂100，使得pdms 300分离并将wse2释放，获得范德华异质结wse2/mose2，异质结经氩气和氢气气氛中200℃退火2h后，采集异质结的拉曼或光致发光光谱以判断层间界面的好坏，如图2所示。
24.范德华异质结wse2/mose2旋涂光刻胶az5214(4000r，30s，胶厚约1.1μm)，并95℃前烘1分30秒，然后将被光刻胶覆盖的wse2/mose2放置在凸型垫块201上移动至视野中央。
25.为了实现范德华异质结与电极图形接触处的光刻胶曝光，该装置还包括紫外曝光灯模块4，紫外曝光灯模块为紫外灯400灯珠阵列并联焊接在电路板上，并外接电源401，电路板固定在可上下调节高度的光学支杆上，紫外灯400灯珠阵列设置在样品电极掩膜模块3正上方。在制备电极时，将载玻片300位置处更换成电极掩膜板，电极掩膜板为负性掩膜板，方便对准图形及观察样品。
26.取下载玻片300将负性掩膜版安装在夹持臂100上，重复以上对准步骤，使得掩膜图形与范德华异质结结区对准并利用泡棉胶的弹性使电极图形与异质结完全接触并压紧。将物镜移开，紫外灯400放置在样品正上方，将紫外灯400移到显微镜视野正上方曝光10秒，95℃后烘1分30秒，随后进行泛曝35秒，在显影液中显影60秒，去离子水冲洗，磁控溅射镀ti/au膜(10nm/100nm)，丙酮中lift-off后获得范德华异质结wse2/mose2上微米级电极图形，如图3所示。