CN109443232B - 单分子衬底应变传感装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本揭示提供一种单分子衬底应变传感装置及其制备方法，所述单分子衬底应变传感装置包括衬底、单分子物质以及拉曼光谱仪，所述衬底表面设置有周期性排列图案，所述单分子物质按照预定方向附着在所述衬底表面，且其两端固定于所述衬底表面，所述拉曼光谱仪设置于所述衬底上方，用于收集所述衬底发生应变时所述单分子物质的拉曼曲线，通过单分子物质碳纳米管在应变时拉曼G’峰位偏移量来表征所述衬底的应变量，能够对于所述衬底微区的微小应变进行探测，有利于提高显示器、半导体等行业的制作精度与制作效率。
Description
技术领域
本揭示涉及显示技术领域，尤其涉及一种单分子衬底应变传感装置及其制备方法。
背景技术
在显示器制造与芯片制造等领域中，需要在玻璃或硅片衬底上通过成膜、曝光、刻蚀等一系列过程制作微观图案。然而在制作过程中，温度变化、顶柱等原因会导致衬底产生应变，从而影响微观图案精度。因此，需要对衬底的应变进行监测，以此来调整工艺参数。目前对衬底应变监测的难点是应变区域和应变量都过于微小，测量技术难以满足要求。
目前常用的应变测量技术有电阻测量、光学测量、电子显微镜和纳米压痕技术等，这些方法都不适用于衬底的微区与微小应变测量。例如，电阻测量需要在毫米范围内安装电阻贴片，无法测量微区应变；光学测量适用于较大变形场，且分辨率不够；电子显微镜(扫描电子显微镜、透射电子显微镜等)无法在制造过程中实时监控衬底形变；纳米压痕对衬底破坏较大。因此，如何有效监测衬底的微小应变，提升产品精度，从而增加公司市场竞争力，是目前面板、芯片等行业关注的重点。
而以单分子器件为传感介质，通过测量衬底应变造成单分子器件的物理化学变化来表征微区微小应变是目前一种可行的思路。
因此，需要提供一种新的单分子衬底应变传感装置及其制备方法。
发明内容
本揭示提供一种单分子衬底应变传感装置及其制备方法，解决了衬底应变区域以及应变量都过于微小，测量技术难以满足要求的技术问题。
为解决上述问题，本揭示提供的技术方案如下：
本揭示实施例提供一种单分子衬底应变传感装置，包括：
衬底，所述衬底表面设置有周期性图案；
单分子物质，按照预定方向附着在所述衬底表面，且所述单分子物质的两端固定于所述衬底表面；以及
拉曼光谱仪，设置于所述衬底上方，用于收集所述衬底发生应变时，所述单分子物质的拉曼曲线。
在本揭示实施例提供的单分子衬底应变传感装置中，所述单分子物质为单壁碳纳米管。
在本揭示实施例提供的单分子衬底应变传感装置中，所述单壁碳纳米管的长度范围为0.5-5um。
在本揭示实施例提供的单分子衬底应变传感装置中，所述周期性图案由形状为等边三角形的金图案排列而成。
在本揭示实施例提供的单分子衬底应变传感装置中，所述金图案的边长范围为50-100nm。
在本揭示实施例提供的单分子衬底应变传感装置中，在所述单壁碳纳米管两端沉积有金属钼，所述金属钼将所述单壁碳纳米管两端固定于所述衬底表面。
在本揭示实施例提供的单分子衬底应变传感装置中，所述衬底为玻璃衬底或硅片衬底。
本揭示实施例提供一种单分子衬底应变传感装置的制备方法，包括以下步骤：
S10：选择一铝箔，在所述铝箔表面制备单分子物质，所述单分子物质为单壁碳纳米管；
S20：在待测的所述衬底表面制备有周期性图案，所述周期性图案呈周期性排列；
S30：利用纳米机械手将位于所述铝箔表面的所述单壁碳纳米管转移至所述衬底表面。
S40：在转移至所述衬底表面的所述单壁碳纳米管两端沉积金属钼，所述金属钼将所述单壁碳纳米管两端固定于所述衬底表面。
S50：当所述衬底未发生应变时，利用拉曼光谱仪收集所述单壁碳纳米管的拉曼曲线，并找到该拉曼曲线的第一峰位。
S60：当所述衬底发生应变时，利用所述拉曼光谱仪收集所述单壁碳纳米管的拉曼曲线，并找到该拉曼曲线的第二峰位。
S70：将应变时的第一峰位与无应变时的第二峰位进行比较，得出峰位偏移量，并根据所述峰位偏移量即可得出所述衬底的应变量。
在本揭示实施例提供的单分子衬底应变传感装置的制备方法中，步骤S10中，采用浮动催化剂化学气相沉积法在所述铝箔表面制备所述单壁碳纳米管。
在本揭示实施例提供的单分子衬底应变传感装置的制备方法中，步骤S20中，所述周期性图案由形状为等边三角形的金图案排列而成。
本揭示的有益效果为：本揭示提供的单分子衬底应变传感装置及其制备方法，通过利用单分子物质碳纳米管在应变时拉曼G’峰位偏移量来表征所述衬底的应变量，能够对于所述衬底微区的微小应变进行探测，有利于提高显示器、半导体等行业的制作精度与制作效率。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是揭示的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本揭示实施例一提供的一种单分子衬底应变传感装置的结构示意图；
图2为本揭示实施例一提供的碳纳米管在不同应变条件下的拉曼G’峰位移示意图。
图3A～3F为本揭示实施例二提供的一种单分子衬底应变传感装置制备方法的示意图。
图4为本揭示实施例二提供的一种单分子衬底应变传感装置制备方法的流程图。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本揭示可用以实施的特定实施例。本揭示所提到的方向用语，例如[上]、[下]、[前]、[后]、[左]、[右]、[内]、[外]、[侧面]等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本揭示，而非用以限制本揭示。在图中，结构相似的单元是用以相同标号表示。
本揭示针对现有技术中的衬底应变测量装置及方法，由于衬底应变区域以及应变量都过于微小，测量技术难以满足要求，本实施例能够解决该缺陷。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种单分子衬底应变传感装置100，由于单分子物质为对应变敏感且易于探测的物质，因此可将该单分子物质作为传感介质，通过测量衬底应变造成所述单分子物质的物理化学变化来表征衬底微区的微小应变。单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes，SWNT)是单层石墨烯按照一定方式卷曲而成的直径为纳米尺度的一维管状结构，由于SWNT具有高的长径比、高温结构稳定且在受到应变时碳原子的振动频率会发生变化，非常适应于所述衬底的应变探测。因此，单分子物质可选为SWNT，本实施例以选用的单分子物质为SWNT为例进行阐述说明。
本实施例提供的一种单分子衬底应变传感装置100，包括：
衬底11，所述衬底11表面设置有周期性图案；
SWNT12，按照预定方向附着在所述衬底11表面，且所述SWNT两端固定于所述衬底11表面内；以及
拉曼光谱仪13，设置于所述衬底11上方，用于收集所述衬底11发生应变时，所述SWNT12的拉曼曲线。
其中，由于拉曼光谱的G’峰位对所述SWNT12的径向振动非常敏感，当所述SWNT12的振动频率发生改变时，则拉曼光谱的G’峰位会发生位移，因此可以利用拉曼光谱来检测应变。如图2所示，随着所述SWNT12的应变变大，则G’峰位将会逐渐变小。
所述衬底11可为玻璃衬底或硅片衬底，所述衬底11上制备有周期性图案14，所述周期性图案14可为由形状为等边三角形的金(Au)图案141呈周期性排列而成，由于单根所述SWNT12的拉曼信号较弱，较难被所述拉曼光谱仪13探测到。由于Au导电性能较好，因此利用由所述Au图案141进行周期性排列而成的所述周期性图案14可增强拉曼光谱，进而提高检测灵敏度。所述Au图案141的边长范围为50-100nm，所述周期性图案14布满所述衬底11需检测的整个微区。
对于所述衬底11上不同范围的微区的应变，应选择不同长度的所述SWNT12，本实施例中所述衬底11中的微区尺寸大小为1um×1.5um，因此所述SWNT12的长度范围应保持在0.5-5um。附着在所述衬底11表面上的所述SWNT12的形状应当保持平直，使得所述SWNT12发生应变的方向处于一条直线上。同时，所述SWNT12在所述衬底11上表面的排列方向可根据待测的所述衬底11发生的应变方向进行调整，例如，所述SWNT12在所述衬底11上表面的排列方向可与所述衬底11发生的应变方向保持在一条直线上。
在所述SWNT12的两端沉积有金属钼(Mo)15，所述金属Mo 15将所述SWNT12的两端固定于所述衬底11上表面，能够使得所述衬底11的应变完全转化为所述SWNT12的应变，提高测量精度。因为如果所述SWNT12的两端未固定于所述衬底11的上表面，则所述SWNT12与所述衬底11之间仅存在范德华力，而范德华力为分子间的作用力，相对较弱，因此当所述衬底11发生应变时，所述SWNT12并不会发生与所述衬底11相同的形变，将会影响测量结果。
当所述衬底11发生应变时，将所述拉曼光谱仪13设置于单根所述SWNT12上方，进行收集所述SWNT12的拉曼曲线，在收集到的拉曼曲线中可找到第二峰位。将该第二峰位与所述衬底11未发生应变时的收集到的所述SWNT12的拉曼曲线中的第一峰位进行对比，即可得出峰位偏移量，根据所述峰位偏移量对应图2中所述SWNT12的不同应变条件与拉曼峰位移的关系，即可得出所述SWNT12的应变量，进而可得出所述衬底11的应变量。
实施例二
如图3A～3F所示，本实施例提供一种单分子衬底应变传感装置的制备方法，以衬底11中尺寸大小为1um×1.5um的微区的应变为例进行具体阐述，该方法包括以下步骤：
S10：选择一铝箔16，在所述铝箔16表面制备单分子物质，所述单分子物质为SWNT12；
如图3A所示，选择一铝箔16，采用浮动催化剂化学气相沉积法在所述铝箔16表面制备所述SWNT12，运用该方法制备的所述SWNT12纯度较高且采用的设备简单，成本较低。同时，为了方便后续将所述SWNT12转移到所述衬底11的上表面，因此所述SWNT12的密度不能太高且所述SWNT12之间不能出现缠绕的现象，避免对所述SWNT12的性能造成影响。所述SWNT12的长度范围为0.5-5um。
S20：在待测的所述衬底11表面制备有周期性图案14；
如图3B所示，所述衬底11可为玻璃衬底或硅片衬底，在本实施例中，所述衬底11为玻璃衬底。在所述衬底11表面制备有周期性图案14，所述周期性图案14由形状为等边三角形的Au图案141周期性排列而成，所述Au图案141均匀、致密地覆盖所述衬底11。由于单根所述SWNT12的拉曼信号较弱，较难被探测。由于Au具有较好的导电性，因此，在所述衬底11上设置由所述Au图案141进行周期性排列而成的所述周期性图案14，可起到拉曼增强的作用。本实施例中所述Au图案141的形状为等边三角形，但所述Au图案141的形状还可采用其他形状，本揭示不应以此为限制。
S30：利用纳米机械手17将位于所述铝箔16表面的所述SWNT12转移至所述衬底11表面。
如图3C所示，在所述SWNT12转移到沉积有所述Au图案141的所述衬底11的上表面的过程中，需挑选长度合适且无弯曲的所述SWNT12，保证所述SWNT12能够完全被放置于所述衬底11的上表面。同时，所述SWNT12在所述衬底11上表面的排列方向可根据待测的所述衬底11发生的应变方向进行调整，例如，所述SWNT12在所述衬底11上表面的排列方向可与所述衬底11的应变方向保持在一条直线上。
S40：在转移至所述衬底11表面的所述SWNT12两端沉积金属Mo15，所述金属Mo15将所述SWNT12两端固定于所述衬底11表面；
如图3D所示，在所述SWNT12两端沉积所述金属Mo15，目的是将所述SWNT12两端固定于所述衬底11的上表面，当所述SWNT12两端未固定时，则所述SWNT12与所述衬底11之间仅有范德华力，当所述衬底11发生应变时，所述SWNT12并不会发生与所述衬底11相同的形变，进而会影响测试结果。
S50：当所述衬底11未发生应变时，利用拉曼光谱仪13收集所述SWNT12的拉曼曲线，并找到该拉曼曲线的第一峰位X0；
如图3E所示，当所述衬底11未发生应变时，将所述拉曼光谱仪13设置于单根所述SWNT12上方，进行收集所述SWNT12的拉曼曲线，在收集到的拉曼曲线中可找到G’峰位X0(即第一峰位)。
S60：当所述衬底11发生应变时，利用所述拉曼光谱仪13收集所述SWNT12的拉曼曲线，并找到该拉曼曲线的第二峰位为X1；
如图3E所示，当所述衬底11发生应变时，将所述拉曼光谱仪13设置于单根所述SWNT12上方，进行收集所述SWNT12的拉曼曲线，在收集到的拉曼曲线中可找到G’峰位X1(即第二峰位)。
S70：将应变时的第二峰位X1与无应变时的第一峰位X0进行比较，得出峰位偏移量X，并根据所述峰位偏移量X即可得出所述衬底的应变量。
如图3F所示，为所述拉曼光谱仪13收集到的所述SWNT12应变的拉曼曲线，通过该曲线可容易获得G’峰位。将所述衬底11发生应变时收集到的SWNT12的拉曼曲线中的所述第二峰位X1与所述衬底11未发生应变时收集到的所述SWNT12的拉曼曲线中的第一峰位X0进行对比，即可得出峰位偏移量X＝X1-X0，同时根据所述SWNT12的不同应变条件与拉曼G’峰位移的关系，即可得出所述SWNT12的应变量，进而可得出所述衬底11的应变量。
本揭示实施例提供的该制备方法是测量所述衬底11的单点应变，除此之外，该方法还可利用拉曼面扫描功能探测所述衬底11应变的面分布，在此不再一一赘述。
有益效果为：本揭示提供的单分子衬底应变传感装置及其制备方法，通过利用单分子物质碳纳米管在应变时拉曼G’峰位偏移量来表征所述衬底的应变量，能够对于所述衬底微区的微小应变进行探测，有利于提高显示器、半导体等行业的制作精度与制作效率。
综上所述，虽然本揭示已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本揭示，本领域的普通技术人员，在不脱离本揭示的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本揭示的保护范围以权利要求界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种单分子衬底应变传感装置，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底上表面设置有周期性图案；
单分子物质，按照预定方向附着在所述衬底上表面，且所述单分子物质的两端固定于所述衬底上表面，所述单分子物质为单壁碳纳米管，在所述单壁碳纳米管两端沉积有金属钼，所述金属钼将所述单壁碳纳米管两端固定于所述衬底上表面，使得所述衬底的应变完全转化为所述单壁碳纳米管的应变；以及
拉曼光谱仪，设置于所述衬底上方，用于收集所述衬底发生应变时的所述单分子物质的拉曼曲线，其中，所述单分子物质在所述衬底上表面的排列方向根据待测的所述衬底发生的应变方向进行调整。
2.根据权利要求1所述的单分子衬底应变传感装置，其特征在于，所述单壁碳纳米管的长度范围为0.5-5um。
3.根据权利要求1所述的单分子衬底应变传感装置，其特征在于，所述周期性图案由形状为等边三角形的金图案排列而成。
4.根据权利要求3所述的单分子衬底应变传感装置，其特征在于，所述金图案的边长范围为50-100nm。
5.根据权利要求1所述的单分子衬底应变传感装置，其特征在于，所述衬底为玻璃衬底或硅片衬底。
6.一种单分子衬底应变传感装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S 10：选择一铝箔，在所述铝箔表面制备单分子物质，所述单分子物质为单壁碳纳米管；
S20：在待测的所述衬底上表面制备周期性图案；
S30：利用纳米机械手将位于所述铝箔表面的所述单壁碳纳米管转移至所述衬底上表面，所述单壁碳纳米管在所述衬底上表面的排列方向根据待测的所述衬底发生的应变方向进行调整；
S40：在转移至所述衬底上表面的所述单壁碳纳米管两端沉积金属钼，所述金属钼将所述单壁碳纳米管两端固定于所述衬底上表面，使得所述衬底的应变完全转化为所述单壁碳纳米管的应变；
S50：当所述衬底未发生应变时，利用拉曼光谱仪收集所述单壁碳纳米管的拉曼曲线，并找到所述拉曼曲线的第一峰位；
S60：当所述衬底发生应变时，利用所述拉曼光谱仪收集所述单壁碳纳米管的拉曼曲线，并找到所述拉曼曲线的第二峰位；
S70：将所述第二峰位与所述第一峰位进行比较，得出峰位偏移量，并根据所述峰位偏移量得出所述衬底的应变量。
7.根据权利要求6所述的单分子衬底应变传感装置的制备方法，其特征在于，步骤S10中，采用浮动催化剂化学气相沉积法在所述铝箔表面制备所述单壁碳纳米管。
8.根据权利要求6所述的单分子衬底应变传感装置的制备方法，其特征在于，步骤S20中，所述周期性图案由形状为等边三角形的金图案排列而成。
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