CN109342325A - 一种低维材料各向异性显微的成像方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种低维材料各向异性显微的成像方法,基于利用非偏振分光技术的显微装置和低维材料的各向异性吸收效应,从而研究不同偏振态下低维材料表面反射光强的变化。通过自动图像获取、分析程序,采集一系列小角度间隔的角分辨偏振光学图像。逐个提取所有偏振光学图像同一像素点的最大和最小光强度值及其对应的旋转角度,并将每个像素点最大和最小光强度值的差值逐点绘制到另一张图像中,便得到了强度域的各向异性显微图像。与此同时,将每个像素点提取到的对应最大反射光强的角度值以箭头或不同颜色绘制到另一张图像中,便得到了角度域的各向异性显微图像。本发明适用于研究黑磷、二硫化铼、银纳米线、碳纳米管等不同低维材料的光学各向异性。

Description

一种低维材料各向异性显微的成像方法和装置
技术领域
本发明属于低维材料和各向异性显微成像技术领域,涉及一种利用非偏振分光技术和各向异性吸收效应相结合的低维材料各向异性显微成像方法和装置。
背景技术
各向异性是指材料由于原子在不同方向的杂化和排列方式不同,导致其不同取向的力学、电学、热学、光学方面的性能不同。黑磷,二硫化铼,二硒化铼,碳纳米管,银纳米线就具有很明显的各向异性。低维材料的各向异性可以为其在光电领域的应用增添一个可调节的自由度,相关的应用有:集成数字逆变器,取向相关二极管,高灵敏的线偏振光探测器以及弱光探测器等。要更加灵活地去利用材料的各向异性,首先要做的就是能直观的观察其各向异性并测定各向异性低维材料的晶向。
目前,应用最广泛的研究低维材料各向异性的方法都无法同时满足我们对于效率,简单性,精度和样品无损的需求。角分辨拉曼光谱技术通过分析不同振动模式下的偏振依赖变化,可以用来研究材料的各向异性,但是由于其装置昂贵复杂,测量耗时,激光对样品有损害等特点,无法很方便的应用;扫描透射电子显微镜可以用来高精度测定样品晶向,但是其对样品厚度和基底有特殊需求,无法广泛利用;光热探测技术已经被证实可以观察材料的各向异性,但是使用时样品需浸泡在液体中,测量之后材料无法后续利用,从而限制了其应用;目前最简单的方式就是利用偏光显微镜在可见光波段去观察材料的光学各向异性,然而由于测量过程中涉及手动转动样品,其测试结果往往不可靠。也有一些研究利用旋转偏振片去测量,但是由于分束镜的影响,其测试结果往往是不准确的。目前一种能够很直观的去观察材料各向异性,并且能很简单、快速、无损、准确的测定各向异性低维材料晶向的方法仍然缺乏。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种能够直接观察低维材料各向异性,并能简单、快速、无损、准确的测定各向异性低维材料晶向的各向异性显微方法和装置,以便于能够更深入的研究低维材料的各向异性以及其在取向相关的光电子装置方面的应用。
为实现上述目的,本发明所述方法的步骤如下:
第一步,非偏振分光的利用,将偏光显微镜的普通分束镜更换为无偏振依赖分束镜;
第二步,测定无偏振依赖分束镜的透射谱,采用滤波片,只使用s偏振和p偏振光透射率差异最小的波段。
第三步,将低维材料放置于样品台,对于透明基底上各向异性很弱的样品,采取干涉反射式结构进行观察,即利用油镜观察倒置样品。用转台旋转偏振片一周,并利用程序自动拍摄不同旋转角度下的偏振光学图像。
第四步,将拍摄的一系列偏振光学图像导入程序进行以下处理:提取每张图像相同像素点的最大和最小亮度值,并计算其差值,最后将差值按照不同的像素点依次绘制到另一张图像上,便得到了强度域的各向异性图像。
第五步,提取每张偏振光学图像相同像素点最大亮度值所对应的旋转角度,并将角度值以箭头的形式绘制到强度域的各向异性图像中,便得到了包含晶向信息的各向异性图像。
第六步,用不同颜色去标识不同取向的区域,而不是用箭头,这样便得到了角度域的各向异性图像。
附图说明
图1各向异性显微成像装置的光路示意图;
图2黑磷样品的强度域和角度域各向异性图像;
图3银纳米线样品的强度域和角度域各向异性图像;
具体实施方式
为了进一步说明本发明,下面以附图的方式并结合实例对本发明提供的低维材料各向异性显微的成像方法和装置进行详细描述,但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。此外,任何与所记载内容相似或均等的方法及材料都可应用于本发明方法中。
实施例1
黑磷的各向异性显微成像
如图2a所示,首先用机械剥离的方法再硅片上制备少层黑磷,并拍摄如图2b所示的一系列角分辨偏振光学图像。由于黑磷样品具有很强的面内光学各向异性,所以在偏振态改变时,其反射光强度会发生很明显的变化。通过提取获取的一系列偏振光学图像中同一像素点的最大和最小值的差值,并且将最大值对应的角度以箭头形势表现出来,我们得到如图2c所示的强度域各向异性图像,很明显各向异性越强的区域亮度越大,并且箭头越整齐,这为我们直接观察材料的各向异性和测定晶向提供了很大便利。与此同时,我们将角度值以不同颜色标识,从而得到了如图2d所示的角度域各向习性图像,很明显不同颜色的区域表示的晶向不同,从而可以很方便的判断晶向相同的区域。
实施例2
图3a所示为在石英基底上旋涂的银纳米线。银纳米线在横线具有纳米尺度而在纵向有微米尺度,这样的结构使其具有很强的光学各向异性。我们利用强度域和角度域各向异性成像分别得到了如图3b和图3c的各向异性图像。很明显,强度域的各向异性图像比原始光学图像多了很多细节,如红色和灰色箭头所示,并且对比度与原始图像相比有明显提升。与此同时,角度域的各向异性图像中,不同取向的纳米线有不同颜色,从而能很方便的看出它们的偏振极化方向。

Claims (11)

1.一种低维材料各向异性显微的成像方法,其特征在于能够利用材料的光学各向异性进行高分辨率高对比度的各向异性显微成像,并能快速、简单、准确、无损的同时测定大范围内样品的晶向,所述方法包括:首先将显微镜的普通分束镜更换为无偏分束镜,并根据透射谱使用滤波片,从而达到非偏振分光的目的,将需要测量的低维样品放置于物镜下,利用转台自动旋转偏振片并利用程序自动拍摄不同旋转角度下的偏振光学图像。提取每张图像相同像素点的最大和最小亮度值,并计算其差值,最后将差值按照不同的像素点依次绘制到一张图像上,得到了强度域的各向异性图像。提取每张偏振光学图像相同像素点最大亮度值所对应的旋转角度,并将角度值以箭头的形式绘制到强度域的各向异性图像中,便得到了包含晶向信息的各向异性图像。用不同颜色去标识不同取向的区域,而不是用箭头,这样便得到了角度域的各向异性图像。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所测量的低维材料包括:二维材料,如黑磷、二硫化铼、二硒化铼;一维材料,如银纳米线、碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所测量的低维材料的基底可以包括:硅片、玻璃、PDMS、石英片,蓝宝石等各向同性或各向异性较弱的材料。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,采用非偏振分光,显微镜中的分束镜需更换为无偏振依赖的分束镜,如Chroma,50/50的分束镜。通过测量无偏分束镜的透射谱,采用带通滤波片将入射光限制在s光和p光透射率差异最小的波段。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,偏振片的旋转,图像的拍摄和处理均是全自动操作。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,图像强度和角度的提取为逐个像素提取,各向异性成像为四维成像:增加了强度和角度维度。
7.一种低维材料各向异性显微的成像装置,其特征在于,包括:光出射单元,光源为光纤导光卤素灯,具有良好的非偏振依赖的特性和良好的聚光性;偏振调制单元,通过转台自动旋转偏振片,可以灵活地改变光的偏振态;非偏振分光单元,通果无偏振依赖的分束镜,并根据其透射谱采用相应波段的滤波片,从而将分束镜对偏振态的改变降到最小;干涉反射结构单元,根据干涉反射原理,将透明基底上的样品倒置,并利用油镜观测,从而达到提升样品各向异性信号的目的。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,光出射单元包括:无偏振依赖效应的卤素灯光源,采用光纤以及光纤聚焦透镜可以最大限度排除杂光影响,并且保持了很好的聚光特性。
9.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,偏振调制单元包括:用于灵活控制光偏振态变化的偏振片以及高精度的电动转台。
10.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,非偏振分光单元包括:无偏振依赖的分束镜,并且通过测量其透射谱,利用带通滤波片将入射光限制在s光和p光透射率差异最小的波段,从而使分束镜对于偏振态的改变最小。
11.根据权利要求7所述的装置,其特征在于,干涉反射结构单元包括:厚度小于物镜工作距离的透明基底,油镜以及与基底折射率相近的油浸物质。通过将样品倒置,并利用油镜观察,增强透明基底上样品的各向异性信号。
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