[发明专利]一种二维材料的晶向测试装置和方法

说明书

本发明公开了一种二维材料的晶向测试装置和方法，该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。本发明提出的基于径向偏振光的二维材料的晶向测试方法可以实现二维材料样品晶向的非接触、高效、无损测试，相比于传统二维材料晶向测试技术大大缩短了测量时间，降低了操作复杂度。

技术领域

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

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。

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-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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

进一步地，待测样品放置于透明且各向同性的基底上。

进一步地，待测样品放置于扫描位移台上。