[发明专利]纳米材料单晶应力场耦合电化学测试装置及方法

说明书

本发明提供了一种纳米材料单晶应力场耦合电化学测试装置及方法，解决现有测试方法无法实现二维材料定量应变下的电化学测试问题。测试装置包括光学显微镜、电化学工作站、电化学原位测试单元和应力施加单元；电化学原位测试单元包括自上而下配合安装的测试主体以及测试底座；应力施加单元包括探针、探针夹持组件以及三维移动平台；探针通过探针夹持组件竖直安装在三维移动平台上，探针在三维移动平台的调节下，对置于测试底座上的柔性衬底施加机械应力，使待测纳米材料发生应变；光学显微镜通过小孔测量待测纳米材料产生的应变量；电化学工作站测量应变量下测量待测纳米材料的电化学性能。

技术领域

本发明属于微器件测试技术领域，具体涉及一种纳米材料单晶应力场耦合电化学测试装置及方法。

背景技术

自从2004年报道了机械剥离法从高取向的裂解石墨中获得石墨烯，并且证明了其优异的电学性能以后，以石墨烯为代表的二维材料得到了飞速的发展。由于各种二维材料有着完全不同的能带结构以及电学、光学、力学、磁学、热学等性能，所以二维材料得到了科学家们的广泛研究。

除了石墨烯之外，其他的二维材料还包括单元素的硅烯、锗烯、硼烯、黑磷等，过渡金属硫族化合物如MoS₂、WS₂、WSe、WTe等，主族金属硫族化合物如GaS、InSe、SnS等以及其他二维材料如h-BN、CrI3、NiPS3等。这些二维材料显示出高度可调的带隙，通过控制层数、异质结构、应变工程、化学掺杂、合金化以及外加电场等方法可以实现对带隙的调节。

应变工程是通过调节超薄二维材料的晶格和电子结构来引入新颖和优异的物理性能的理想途径。具体而言，应变可以有效地改变原子键的构型(即键长、键角和键强)和电子轨道之间的相互作用，从而导致超薄二维材料出现新的现象和性质，如热、电、光和磁性质。这样，通过应变工程改变超薄二维材料固有性质的能力为其在传感、电子和光电器件等领域的应用创造了巨大的机会。但是目前对二维材料施加机械应力的方法普遍是通过弯曲装置对样品施加单轴应变，进而测试其物理性质的变化，比如：采用悬臂梁或者四点弯曲装置进行测试的，这种装置很难在液相中进行工作，一方面是装置较大，操作较为复杂，另一方面，在液相中通过上述装置很难做到原位观察。因此目前仍缺少一种对二维材料施加应力测试其电化学的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有测试方法无法实现对纳米材料在电解液环境中发生定量应变时进行原位电化学测量的问题，而提供一种纳米材料单晶应力场耦合电化学测试装置及方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

纳米材料单晶应力场耦合电化学测试装置，其特殊之处在于：包括光学显微镜、电化学工作站、电化学原位测试单元和应力施加单元；

所述电化学原位测试单元包括自上而下配合安装的测试主体以及测试底座；

所述测试主体内竖直设置有第一通孔，且测试主体上端端面设置将第一通孔环绕在内的未完全闭环的环形凹槽，该环形凹槽内侧的壁面低于其外侧的壁面，且未完全闭环处所在的测试主体上沿轴向设置有开口向下的导线引出槽；所述第一通孔的上端面密封安装一个中心设置有小孔的透明观测窗；

所述测试主体上还设置有与所述环形凹槽连通的第一安装孔和第二安装孔，用于分别安装电化学测试所需的对电极和参比电极；

所述测试底座用于承载并将柔性衬底及转移至该柔性衬底上的待测纳米材料伸入第一通孔中顶紧在所述观测窗的小孔下端面，使柔性衬底与小孔孔壁配合形成一个可盛装电解液的腔体；在盛装电解液时，电解液先装满该腔体，而后从观测窗的小孔中溢出，流至环形凹槽内，并通过第一安装孔和第二安装孔与电化学测试所需的对电极和参比电极接触，并且此时，待测纳米材料也位于观察区域，与电解液接触；

所述测试底座沿轴向设置有第二通孔；