CN103308498B - 一种用于二维层状纳米材料的方向可控单轴应变施加装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于二维层状纳米材料的方向可控单轴应变施加装置，包括：旋转台、测微丝杆、可移动刀刃、可移动刀刃底座、圆形样品托盘、圆形衬底和外侧刀刃，所述旋转台包括转盘和外部区域；所述测微丝杆的顶针伸出的高度通过旋转旋钮控制，用于推动可移动刀刃沿顶针方向伸出；所述可移动刀刃底座用于支撑可移动刀刃；所述圆形样品托盘用于放置所述圆形衬底；所述圆形衬底上制备有二维层状纳米材料的样品；所述外侧刀刃上设置有两个刀刃，外侧刀刃的两个刀刃和可移动刀刃的顶端刀刃用于向样品施加轴向应力。本发明通过采用圆形衬底和旋转台，使施加三点弯曲的刀刃方向能够相对于样品平面旋转，最终达到对样品沿不同方向施加单轴应变的效果。

Description

一种用于二维层状纳米材料的方向可控单轴应变施加装置

技术领域

本发明涉及单轴应变的施加装置，特别涉及一种用于二维层状纳米材料的方向可控单轴应变施加装置。

背景技术

近年来，以石墨烯为代表的二维层状纳米材料由于独特的物理、化学性质，成为发展十分迅速的研究领域之一。目前除了石墨烯，这类材料还包括单层、双层二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）、二硒化钼（MoSe₂）、二硒化钨（WSe₂）等。对这些材料性质的研究是目前的热点。以单层MoS₂为例，其体材料是带隙为1.2eV的间接半导体，而单层MoS₂转变成能量为1.83eV的直接带隙半导体材料，具有非常好的光电领域应用前景。MoS₂体材料作为优良的固体润滑剂有几十年的历史，2010年美国科学家采用机械剥离方法首先制备出单层MoS₂并报道了它的优良光学性质。瑞典科学家成功制作出基于单层MoS₂的晶体管，揭示了这种材料的广阔应用前景。随后，麻省理工学院的科研团队基于双层MoS₂制作出多种电子设备，包括逆变器、与非门、存储器和相对复杂的环形振荡器。目前，普遍认为这种二维层状纳米材料是极具潜力的未来电子材料。对这类材料在单轴应变下性质进行研究，对理解他们的物理特性和拓展应用空间有重要意义。

单轴应变施加装置，是指对采用机械剥离方法得到的石墨烯、单层MoS₂等二维层状纳米材料的研究中对样品施加单轴应变的装置。通过对衬底材料的机械弯曲使样品受到拉伸的单轴应变。样品在单轴应变作用下，晶格常数将发生变，导致相应的晶格振动模式和能带结构都会改变。测量光致荧光光谱、拉曼光谱随单轴应变的变化，能够准确反应样品材料的物理性质。

目前对二维层状纳米材料样品施加单轴应变的装置只能够实现在相对样品的某一特定方向。这种配置大都使用条形衬底材料，采用机械剥离方法在衬底中间位置制备得到样品。采用三点弯曲的机械结构对条形衬底施加形变，从而在沿衬底长边方向对样品施加单轴应变。由于机械剥离方法制备的样品一经得到，其与衬底的相对角度就已经固定，因此这种单轴应变的施加方法只能在样品的一个随机方向上实现。已有方案无法实现可控地在样品不同方向上施加单轴应变。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服现有技术只能在样品一个方向上施加单轴应变的缺陷，提出一种单轴应变施加装置，可对二维层状纳米材料的样品沿不同方向施加单轴应变。

为了解决上述问题，本发明提供一种单轴应变施加装置，包括：旋转台、测微丝杆、可移动刀刃、可移动刀刃底座、圆形样品托盘、圆形衬底和外侧刀刃，其中，

所述旋转台包括转盘和外部区域；所述测微丝杆的顶针位于所述转盘的圆心，并与所述可移动刀刃的底部相连，所述顶针伸出的高度通过旋转旋钮控制，顶针用于推动可移动刀刃沿顶针方向伸出；所述可移动刀刃底座的内侧与测微丝杆连接，外侧与所述转盘连接，且与可移动刀刃固定在一起，用于支撑可移动刀刃；所述圆形样品托盘与旋转台的外部区域连接，用于放置所述圆形衬底；所述圆形衬底上制备有二维层状纳米材料的样品；所述外侧刀刃位于所述旋转台的外侧，与所述转盘连接，所述外侧刀刃上设置有两个刀刃；所述外侧刀刃的两个刀刃和可移动刀刃的顶端刀刃用于向样品施加轴向应力。

优选地，上述装置还具有以下特点：

所述圆形样品托盘上设置有单侧开口，用于装卸所述圆形衬底。

优选地，上述装置还具有以下特点：

所述圆形衬底的边缘区域上标注有短线，圆形样品托盘的边缘区域上也标注有相应的短线，用于标注测量旋转的角度。

优选地，上述装置还具有以下特点：

所述可移动刀刃的底部设置有圆孔；所述测微丝杆的顶针穿过所述转盘的中心与可移动刀刃底部的圆孔接触。

优选地，上述装置还具有以下特点：

所述外侧刀刃的两个刀刃与可移动刀刃的顶端刀刃平行。

优选地，上述装置还具有以下特点：

所述二维层状纳米材料的样品采用机械剥离方法制备于所述圆形衬底的圆心区域。

本发明通过采用圆形衬底和旋转台，使施加三点弯曲的刀刃方向能够相对于样品平面旋转，最终达到对样品沿不同方向施加单轴应变的效果。

附图说明

图1为本发明实施例的应变施加装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的应变施加装置的圆形衬底示意图；

图3为本发明的实例的应变施加装置的圆形样品托盘示意图；

图4为本发明实施例的单层MoS₂材料荧光圆偏振极化度在沿某一特定方向不同单轴应变下变化图；

图5为本发明实施例的单层MoS₂材料荧光圆偏振极化度在不同方向相同的单轴应变下的变化图；

其中，101—测微丝杆，1011—测微丝杆的顶针，102—旋转台，1021—旋转台的转盘，1022—旋转台的外部区域，103—圆形样品托盘，1031—圆形样品托盘的单侧开口，201—可移动刀刃底座，202—可移动刀刃，2021—可移动刀刃底部的圆孔，203—外侧刀刃，204—螺丝，205—圆形衬底。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

如图1所示，本发明实施例的单轴应变施加装置包括：旋转台102、测微丝杆101、可移动刀刃202、可移动刀刃底座201、圆形样品托盘103、圆形衬底205和外侧刀刃203，其中，

旋转台102包括转盘1021和外部区域1022，转盘1021转动的角度可以从旋转台102的度数读出；测微丝杆101的顶针1011位于转盘1021的圆心，顶针1011伸出的高度可以通过旋转旋钮精确控制，并由标尺读出，顶针1011用于推动可移动刀刃202沿顶针方1011向伸出，测微丝杆固定端通过螺纹扣与转盘1021连接；可移动刀刃底座201由金属铝制成，其内侧与测微丝杆101连接，外侧与转盘1021连接，且与可移动刀刃202固定在一起，用于支撑可移动刀刃202；可移动刀刃202由金属钢制作，使用穿有弹簧的螺丝204固定到可移动刀刃底座201，可移动刀刃202的顶端刀刃指向圆形衬底205的圆心，可移动刀刃202的底部设置有圆孔2021，测微丝杆101的顶针1011穿过转盘1021的中心与可移动刀刃底部的圆孔2021接触；圆形样品托盘103与旋转台的外部区域1022连接，用于放置圆形衬底205；圆形衬底205上制备有二维层状纳米材料的样品；外侧刀刃203由金属钢制作，位于旋转台102的外侧，与转盘1021连接，可以随转盘1021相对于外部区域1022转动，外侧刀刃203上设置有两个刀刃，该两个刀刃与圆形衬底205接触；在设计装配时调节外侧刀刃203的两个刀刃和可移动刀刃202的顶端刀刃平行，以便向样品施加轴向应力。

下面以采用MoS₂样品为例进一步说明本发明。

单层MoS₂样品采用机械剥离方法在透明有机玻璃圆形衬底205圆心区域制备，如图2所示。圆形衬底205的边缘预先标注短线用来确定相对角度。采用机械剥离方法制备二维层状纳米材料的实现，为本领域普通科研人员所公知，因此不在此重复说明。

带有单层MoS₂样品的圆形衬底205放置于圆形样品托盘103，圆形样品托盘103如图3所示。从圆形样品托盘103的单侧开口1031处可以方便地装卸样品。圆形衬底103边缘预先标注短线，与圆形衬底205边缘的短线对应，用来确定它们的相对角度。

通过旋转测微丝杆101的旋钮，控制可移动刀刃202伸出的长度，由于外侧刀刃203的共同作用，圆形衬底205会发生弯曲形变。圆形衬底205制备有单层MoS₂样品的一侧发生拉伸的单轴应变，并把这种应变传递给单层MoS₂样品。完成在该方向单轴应变下的相应测量后，旋转测微丝杆101的旋钮，缩短其顶针1011伸出长度。由于固定可移动刀刃202的弹簧和固定螺丝204作用，使可移动刀刃202的伸出长度减小，圆形衬底205恢复平坦状态。

将旋转台102的转盘旋转一个角度，通过圆形衬底205与圆形样品托盘103边缘的短线保持它们的相对角度不变。由于外侧刀刃203和可移动刀刃202都与旋转台102的转盘连接，因此它们共同相对于样品旋转同样的角度。重复上述过程，对样品沿另一方向施加单轴应变。施加单轴应变的角度可以从旋转台102的读数得到，单轴应变的大小可以通过测微丝杆101的度数准确重复。

图4为在相对样品角度为0时，测得样品在不同应变下光致荧光圆偏振极化度随应变的减小过程。其中横坐标为测微丝杆101旋进的距离。

图5为测微丝杆101旋进距离Strain H为3.5mm时，沿单层MoS₂样品不同方向施加同样大小单轴应变测得的光致荧光圆偏振极化度。横坐标为单轴应变施加的方向。

在本发明的其他实施例中，其中外侧刀刃、可移动刀刃也可以由其他材料制成，优选为硬度高的金属。

本发明提供的单轴应变施加装置可用于科研中对二维层状纳米材料施加不同方向的应变，适合采用光致荧光光谱、拉曼光谱等方式对单轴应变下材料性质的研究。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于二维层状纳米材料的方向可控单轴应变施加装置，其特征在于，包括：旋转台、测微丝杆、可移动刀刃、可移动刀刃底座、圆形样品托盘、圆形衬底和外侧刀刃，其中，

所述旋转台包括转盘和外部区域；所述测微丝杆的顶针位于所述转盘的圆心，并与所述可移动刀刃的底部相连，其伸出的高度通过旋转旋钮控制，顶针用于推动可移动刀刃沿顶针方向伸出；所述可移动刀刃底座的内侧与测微丝杆连接，外侧与所述转盘连接，且与可移动刀刃固定在一起，用于支撑可移动刀刃；所述圆形样品托盘与旋转台的外部区域连接，用于放置所述圆形衬底；所述圆形衬底上制备有二维层状纳米材料的样品；所述外侧刀刃位于所述旋转台的外侧，与所述转盘连接，其上设置有两个刀刃；所述外侧刀刃的两个刀刃和可移动刀刃的顶端刀刃用于向样品施加轴向应力。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述圆形样品托盘上设置有单侧开口，用于装卸所述圆形衬底。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述圆形衬底的边缘区域上标注有短线，圆形样品托盘的边缘区域上也标注有相应的短线，用于标注测量旋转的角度。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，

所述可移动刀刃的底部设置有圆孔；所述测微丝杆的顶针穿过所述转盘的中心与可移动刀刃底部的圆孔接触。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述外侧刀刃的两个刀刃与可移动刀刃的顶端刀刃平行。

6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述二维层状纳米材料的样品采用机械剥离方法制备于所述圆形衬底的圆心区域。