CN111624758A - 一种用于纳米材料转移的复合荧光显微系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种用于纳米材料转移的复合荧光显微系统包括光学显微成像装置、数控水平移动平台、减震平台、目标基片控制装置、Z轴数控升降装置、转移基片控制装置及控制装置。本发明优化设计了光学显微镜成像装置的结构，集合了光学显微成像技术及自动化技术，从而解决纳米材料研究领域的二维材料转移精度低的问题；本发明提供的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统不仅能够提高二维材料的转移精度，实现二维材料的自动化转移，有利于简化二维材料的转移操作，还有助于打破二维材料制备时基底材料的选择的局限性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料转移技术领域，特别涉及一种用于纳米材料转移的复合荧光显微系统。
背景技术
显微镜是人们了解微观世界的工具，在生物医学、材料学及地质学等领域的日常科研工作中发挥着举足轻重的作用。随着对材料形状的研究不断深入，生产及科研实践中所涉及的材料尺寸已达到纳米级别，特别是以石墨烯、黑鳞及二维层状过渡金属硫属化合物为代表的二维材料，二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动的材料，即电子在平面上运动。常见的二维材料有许多种，如纳米薄膜、超晶格、量子阱等。当前，二维材料可以采用自下而上和自上而下两种方法进行制备。在二维材料的自下而上的制备方法中，化学气相沉积法依赖于某些有机或无机前驱体在催化基底上的反应来制备大面积、高质量的二维材料，特别适合于电子学或光子学中的高端应用；而自上而下的制备方法是基于对片层块体剥离后得到相应的二维材料的单层或少层纳米片，特别是在液相中利用超声波、剪切力或电化学插层等直接剥离的方法(如剥离块体材料法)，能够在较大量的胶体分散液中得到较高质量的二维纳米片，且可以针对不同的用途，将所制备的二维纳米片加工成涂层、薄膜、复合材料、混合物等形态。但是无论是材料自下而上的制备方法，还是材料自上而下的制备方法，都需要对二维材料进行转移，即将二维材料从衬底或块体材料上分离的过程。
目前，二维材料的转移方法分为干法转移和湿法转移，其中，湿法转移方法是将生长有二维材料的衬底浸泡于腐蚀溶液中，使得衬底和二维材料分离，在腐蚀的过程中，将不可避免地引入金属离子、化学基团等缺陷，从而破坏二维材料的结构，以及污损二维材料的界面。相对于湿法转移方法，而干法转移能够保证二维材料具有完整的宏观结构和平整的微观尺寸，且能够对生长二维材料的衬底进行反复利用，降低生产成本。然而，传统的干法转移方法需要人工手动对准备转移材料的基底和目标基片，且目标基片上反射的光线需要透过被转移材料的基底进入观察用的显微镜。因此，在制备二维材料时需要选择透光性良好的被转移材料的基底，且该转移材料的基底应具备足够的强度和较薄的厚度，这将使二维材料的制备工艺复杂化，同时提高了二维材料的制备成本。并且有一部分二维材料的颜色与基底的颜色非常接近，导致无法区分。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，以解决上述技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种用于纳米材料转移的复合荧光显微系统包括光学显微成像装置、数控水平移动平台、减震平台、目标基片控制装置、Z轴数控升降装置、转移基片控制装置及控制装置，所述光学显微成像装置、数控水平移动平台、减震平台、目标基片控制装置、Z轴数控升降装置、转移基片控制装置均与所述控制装置电性连接；其中，所述光学显微成像装置包括照明组件、物镜、镜筒、数字相机、中继镜、结像透镜、二向分光镜、反光镜，其中，所述中继镜、结像透镜、二向分光镜、反光镜依次设置于镜筒内，所述数字相机设置于所述镜筒上且位于远离所述反光镜的一侧，所述物镜和照明组件均设置于所述镜筒的侧壁上，所述物镜位于靠近所述反光镜的一侧，所述二向分光镜和所述反光镜均相对于镜筒的轴线倾斜°；所述照明组件包括壳体，所述壳体设置于所述镜筒的侧壁上且与所述镜筒连通，所述壳体内依次设置有照明光源、第一光源聚光透镜、第二光源聚光透镜；所述光学显微成像装置的数量为两个，两个光学显微成像装置对称设置，两个光学显微成像装置的物镜的光学中心在同一直线上；所述照明光源发出的光依次经第一光源聚光透镜、第二光源聚光透镜后由二向分光镜反射入反光镜，再经反光镜反射入物镜，物镜接收的成像光并将成像光发射入反光镜，再经二向分光色镜透射入结像透镜，经中继镜后成像在数字相机上；所述数控水平移动平台设置于所述减震平台上，所述光学显微成像装置安装于所述数控水平移动平台上；所述目标基片控制装置设置于所述减震平台上，所述目标基片控制装置包括第一载物台、数控加热台及激光位移传感器，所述数控加热台和激光位移传感器均设置于所述第一载物台上，所述第一载物台第一载物台用于承载目标基片；所述Z轴数控升降装置设置于所述减震平台上；所述目标基片控制装置位于所述数控水平移动平台和所述Z轴数控升降装置之间；所述转移基片控制装置固定于所述Z轴数控升降装置上，所述包括第二载物台，所述第二载物台用于承载转移基片，所述转移基片上生长有二维材料。
作为本发明的优选方案，所述壳体与所述镜筒之间的连通处设置有第一光学镜片，所述镜筒内设置有第二光学镜片，所述第二光学镜片位于所述结像透镜和二向分光镜之间。
进一步的，所述照明光源为单色光LED灯珠，所述第一光学镜片为荧光发射片，所述第二光学镜片为荧光激发片，所述二向分光镜为二向分色镜。
进一步的，所述照明光源为白色混合光LED灯珠，所述第一光学镜片为偏振片，所述第二光学镜片为偏振片，所述第一光学镜片和第二光学镜片的偏振方向相互正交，所述二向分光镜为半反半透分光镜。
作为本发明的优选方案，所述目标基片控制装置还包括第一X-Y轴向数控移动平台、第一数控精密旋转台、Z轴数控升降平台，所述Z轴数控升降平台设置于所述减震平台上，所述第一X-Y轴向数控移动平台设置于所述Z轴数控升降平台上，所述第一数控精密旋转台设置于所述第一X-Y轴向数控移动平台，所述第一载物台设置于所述第一数控精密旋转台上。
作为本发明的优选方案，所述转移基片控制装置还包括第二X-Y轴向数控移动平台、第二数控精密旋转台，所述第二X-Y轴向数控移动平台通过支撑架固定于所述Z轴数控升降装置上，所述第二数控精密旋转台设置于所述第二X-Y轴向数控移动平台上，所述第二载物台设置于所述第二数控精密旋转台上。
作为本发明的优选方案，所述控制装置包括主机、显示器，所述显示器与所述主机电性连接，所述光学显微成像装置、数控水平移动平台、减震平台、目标基片控制装置、Z轴数控升降装置、转移基片控制装置均与所述控制装置的主机电性连接。
进一步的，所述控制装置还包括与所述主机电性连接的指令输入器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明优化设计了光学显微镜成像装置的结构，集合了光学显微成像技术及自动化技术，从而解决纳米材料研究领域的二维材料转移精度低的问题；本发明提供的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统不仅能够提高二维材料的转移精度，实现二维材料的自动化转移，有利于简化二维材料的转移操作，还有助于打破二维材料制备时基底材料的选择的局限性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，附图说明用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施方式一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统的结构示意图；
图2为本发明提供的光学显微成像装置的结构示意图。
图中，1-光学显微成像装置，11-照明组件，111-壳体，112-照明光源，113-第一光源聚光透镜，114-第二光源聚光透镜，115-第一光学镜片，12-物镜，13-镜筒，14-数字相机，15-中继镜，16-结像透镜，17-第二光学镜片，18-二向分光镜，19-反光镜，2-数控水平移动平台，3-减震平台，4-目标基片控制装置，41-第一载物台，42-第一X-Y轴向数控移动平台，43-第一数控精密旋转台，44-数控加热台，45-Z轴数控升降平台，5-Z轴数控升降装置，6-转移基片控制装置，61-第二载物台，62-第二X-Y轴向数控移动平台，63-第二数控精密旋转台，7-控制装置，71-主机，72-显示器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统包括光学显微成像装置1、数控水平移动平台2、减震平台3、目标基片控制装置4、Z轴数控升降装置5、转移基片控制装置6及控制装置7，所述光学显微成像装置1、数控水平移动平台2、减震平台3、目标基片控制装置4、Z轴数控升降装置5、转移基片控制装置6均与所述控制装置7电性连接。
所述光学显微成像装置1包括照明组件11、物镜12、镜筒13、数字相机14、中继镜15、结像透镜16、二向分光镜18、反光镜19，其中，所述中继镜15、结像透镜16、二向分光镜18、反光镜19依次设置于镜筒13内，所述数字相机14设置于所述镜筒13上且位于远离所述反光镜19的一侧，所述物镜12和照明组件11均设置于所述镜筒13的侧壁上，所述物镜12位于靠近所述反光镜12的一侧，所述二向分光镜18和所述反光镜12均相对于镜筒13的轴线倾斜45°；所述照明组件11包括壳体111，所述壳体111设置于所述镜筒13的侧壁上且与所述镜筒13连通，所述壳体111内依次设置有照明光源112、第一光源聚光透镜113、第二光源聚光透镜114；所述光学显微成像装置1的数量为两个，两个光学显微成像装置1对称设置，两个光学显微成像装置1的物镜12的光学中心在同一直线上。所述照明光源112发出的光依次经第一光源聚光透镜113、第二光源聚光透镜114后由二向分光镜18反射入反光镜19，再经反光镜19反射入物镜12，物镜12接收的成像光并将成像光发射入反光镜19，再经二向分光色镜17透射入结像透镜14，经中继镜13后成像在数字相机14上。
所述数控水平移动平台2，所述数控水平移动平台2设置于所述减震平台3上，所述光学显微成像装置1安装于所述数控水平移动平台2上。
所述目标基片控制装置4包括第一载物台41、第一X-Y轴向数控移动平台42、第一数控精密旋转台43、Z轴数控升降平台45、数控加热台44及激光位移传感器(图中未示出)，所述Z轴数控升降平台45设置于所述减震平台3上，所述第一X-Y轴向数控移动平台42设置于所述Z轴数控升降平台45上，所述第一数控精密旋转台43设置于所述第一X-Y轴向数控移动平台42，所述数控加热台44设置于所述第一数控精密旋转台43，所述第一载物台41设置于所述数控加热台44上，所述第一载物台41用于承载目标基片。
所述Z轴数控升降装置5设置于所述减震平台3上。
所述目标基片控制装置4位于所述数控水平移动平台2和所述Z轴数控升降装置5之间。
所述转移基片控制装置6包括第二载物台61、第二X-Y轴向数控移动平台62、第二数控精密旋转台63，所述第二载物台61用于承载转移基片，所述转移基片上生长有二维材料，所述第二X-Y轴向数控移动平台62通过支撑架固定于所述Z轴数控升降装置5上，所述第二数控精密旋转台63设置于所述第二X-Y轴向数控移动平台62上，所述第二载物台61设置于所述第二数控精密旋转台63上。
所述控制装置7包括主机71、显示器72及指令输入器(图中未示出)，所述指令输入器为键盘，所述显示器72及指令输入器均与所述主机71电性连接。
具体的，所述壳体111与所述镜筒13之间的连通处设置有第一光学镜片115，所述镜筒13内设置有第二光学镜片17，所述第二光学镜片17位于所述结像透镜16和二向分光镜18之间。
进一步的，所述照明光源112为单色光LED灯珠，所述第一光学镜片115为荧光发射片，所述第二光学镜片17为荧光激发片，所述二向分光镜18为二向分色镜，本发明便可实现荧光照明观察模式。
进一步的，所述照明光源112为白色混合光LED灯珠，所述第一光学镜片115为偏振片，所述第二光学镜片17为偏振片，所述第一光学镜片115和第二光学镜片17的偏振方向相互正交，所述二向分光镜18为半反半透分光镜，本发明便可实现偏光观察模式。
具体的，所述物镜12为无限远光物镜，放大倍数为1～100x，所述物镜12的齐焦距离优选为45mm，相对于齐焦距离为95mm和60mm的物镜产品，齐焦距离为45mm的物镜12使装置的占用空间更小，螺纹尺寸为国标RMS标准。本发明的镜筒、中继镜15、结像透镜16、反光镜19及物镜12组成无限远光学显微成像系统的设计结构。
具体的，所述数字相机14为高灵敏度CMOS相机，有利于在控制成本的情况下提升成像质量，光学接口采用工业标准接口C型接口。
本发明的工作原理如下：
使用时，通过控制装置7的主机71控制数控水平移动平台2在水平方向上移动，使光学显微成像装置1的物镜12移动至目标基片控制装置4和转移基片控制装置6之间。
本发明可通过主机71控制第二X-Y轴向数控移动平台62启动，使第二载物台61上的转移基片在X轴方向和Y轴方向上移动，直至转移基片的二维材料处于物镜12的视野中心位置，通过光学显微镜成像装置1获取转移基片上的二维材料的图像并将获取的图像上传至控制装置7的主机71，主机71对该图像进行图像处理并将处理后的图像发送至显示器72，处理后的二维材料的图像实时显示在显示器72上，工作人员可以实时观察到转移基片上的二维材料。
本发明还可通过主机71控制目标基片控制装置4的Z轴数控升降平台45在Z轴方向升降，直至目标基片清晰对焦，通过光学显微镜成像装置1获取目标基片的图像并将获取的图像传送至主机71，主机71对该图像进行图像处理并将处理后的图像发送至显示器72，从而使显示器72同时显示目标基片的图像及需要转移的二维材料的图像，方便工作人员直观地观察到需要转移的二维材料与目标基片在贴合位置和方向上是否对齐。若没有对齐，本发明可通过控制装置7启动数控精密旋转台和第一X-Y轴向数控移动平台42，在数控精密旋转台和第一X-Y轴向数控移动平台42的带动下使需要转移的二维材料旋转、移动，直至需要转移的二维材料与目标基片对齐。
对齐后，本发明通过控制装置7的主机71控制数控水平移动平台2在水平方向上移动，使光学显微成像装置1的物镜12从目标基片控制装置4和转移基片控制装置6之间移开，再在控制装置7的主机71的控制控制下，Z轴数控升降装置5带动转移基片在Z轴方向上向目标基片控制装置4靠近，位于目标基片一侧的激光位移传感器便能获取转移基片和目标基片之间的距离信息并将测得的距离信息传输至控制装置7的主机71，主机71将接收到的距离信息以数值的形式显示在显示器72上，当主机71接收到的距离值达到预设距离值时，触发主机71关闭Z轴数控升降装置5，使转移基片控制装置6停止移动，此时转移基片上的二维材料与目标基片相接触；然后通过主机71控制数控加热台44对目标基片进行加热，加热工序完成后，通过主机71重新启动Z轴数控升降装置5，Z轴数控升降装置5带动转移基片控制装置6上升复位；在控制装置7的主机71的控制控制下，数控水平移动平台2带动光学显微成像装置1水平移动，直至物镜13移动至目标基片控制装置4和转移基片控制装置6之间，以便检测二维材料是否从转移基片上转移至目标基片上。
本发明提供的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统能够提高二维材料的转移精度，同时简化二维材料的转移操作，有助于打破二维材料制备时基底材料的选择的局限性，实现二维材料的自动化转移；本发明集合了光学显微成像技术及自动化技术，以解决纳米材料研究领域的二维材料转移精度低的问题，优化设计了光学显微镜成像装置的结构，还可通过实现明场、偏光、荧光三种不同的显微成像观察方式，所选成像物镜不需要超长工作距离物镜，使用常规物镜即可，既可以降低成本，也可以提供成像分辨率。整个系统呈现一体化，简单化、成本更低。
需要说明，在本发明的具体实施方式中，所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，其特征在于，包括光学显微成像装置、数控水平移动平台、减震平台、目标基片控制装置、Z轴数控升降装置、转移基片控制装置及控制装置，所述光学显微成像装置、数控水平移动平台、减震平台、目标基片控制装置、Z轴数控升降装置、转移基片控制装置均与所述控制装置电性连接；其中，所述光学显微成像装置包括照明组件、物镜、镜筒、数字相机、中继镜、结像透镜、二向分光镜、反光镜，其中，所述中继镜、结像透镜、二向分光镜、反光镜依次设置于镜筒内，所述数字相机设置于所述镜筒上且位于远离所述反光镜的一侧，所述物镜和照明组件均设置于所述镜筒的侧壁上，所述物镜位于靠近所述反光镜的一侧，所述二向分光镜和所述反光镜均相对于镜筒的轴线倾斜°；所述照明组件包括壳体，所述壳体设置于所述镜筒的侧壁上且与所述镜筒连通，所述壳体内依次设置有照明光源、第一光源聚光透镜、第二光源聚光透镜；所述光学显微成像装置的数量为两个，两个光学显微成像装置对称设置，两个光学显微成像装置的物镜的光学中心在同一直线上；所述照明光源发出的光依次经第一光源聚光透镜、第二光源聚光透镜后由二向分光镜反射入反光镜，再经反光镜反射入物镜，物镜接收的成像光并将成像光发射入反光镜，再经二向分光色镜透射入结像透镜，经中继镜后成像在数字相机上；所述数控水平移动平台设置于所述减震平台上，所述光学显微成像装置安装于所述数控水平移动平台上；所述目标基片控制装置设置于所述减震平台上，所述目标基片控制装置包括第一载物台、数控加热台及激光位移传感器，所述数控加热台和激光位移传感器均设置于所述第一载物台上，所述第一载物台第一载物台用于承载目标基片；所述Z轴数控升降装置设置于所述减震平台上；所述目标基片控制装置位于所述数控水平移动平台和所述Z轴数控升降装置之间；所述转移基片控制装置固定于所述Z轴数控升降装置上，所述包括第二载物台，所述第二载物台用于承载转移基片，所述转移基片上生长有二维材料。
2.根据权利要求1所述的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，其特征在于，所述壳体与所述镜筒之间的连通处设置有第一光学镜片，所述镜筒内设置有第二光学镜片，所述第二光学镜片位于所述结像透镜和二向分光镜之间。
3.根据权利要求2所述的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，其特征在于，所述照明光源为单色光LED灯珠，所述第一光学镜片为荧光发射片，所述第二光学镜片为荧光激发片，所述二向分光镜为二向分色镜。
4.根据权利要求2所述的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，其特征在于，所述照明光源为白色混合光LED灯珠，所述第一光学镜片为偏振片，所述第二光学镜片为偏振片，所述第一光学镜片和第二光学镜片的偏振方向相互正交，所述二向分光镜为半反半透分光镜。
5.根据权利要求1所述的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，其特征在于，所述目标基片控制装置还包括第一X-Y轴向数控移动平台、第一数控精密旋转台、Z轴数控升降平台，所述Z轴数控升降平台设置于所述减震平台上，所述第一X-Y轴向数控移动平台设置于所述Z轴数控升降平台上，所述第一数控精密旋转台设置于所述第一X-Y轴向数控移动平台，所述第一载物台设置于所述第一数控精密旋转台上。
6.根据权利要求1所述的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，其特征在于，所述转移基片控制装置还包括第二X-Y轴向数控移动平台、第二数控精密旋转台，所述第二X-Y轴向数控移动平台通过支撑架固定于所述Z轴数控升降装置上，所述第二数控精密旋转台设置于所述第二X-Y轴向数控移动平台上，所述第二载物台设置于所述第二数控精密旋转台上。
7.根据权利要求1所述的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，其特征在于，所述控制装置包括主机、显示器，所述显示器与所述主机电性连接，所述光学显微成像装置、数控水平移动平台、减震平台、目标基片控制装置、Z轴数控升降装置、转移基片控制装置均与所述控制装置的主机电性连接。
8.根据权利要求7所述的用于纳米材料转移的复合荧光显微系统，其特征在于，所述控制装置还包括与所述主机电性连接的指令输入器。
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