CN112526173B

CN112526173B - 一种检测材料晶界的晶体结构的方法

Info

Publication number: CN112526173B
Application number: CN202011430692.5A
Authority: CN
Inventors: 彭金峰; 黄宽; 郑学军; 张嘉林; 何文远; 李立豪
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2023-05-16
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: CN112526173A

Abstract

本发明涉及一种检测材料晶界的晶体结构的方法，将待检测材料置于原子力显微镜的样品仓中，施加法向载荷，获取待检测材料的摩擦信号；缩小原子力显微镜的扫描范围，增大原子力显微镜的扫描频率，获取待检测材料的晶界上的摩擦信号；对摩擦信号进行傅里叶变换，获得低通滤波图像，即为待检测材料晶界的晶体结构。本发明的方法简单、快速，且无需对待检测样品进行预处理，也不会损伤样品。

Description

一种检测材料晶界的晶体结构的方法

技术领域

本发明涉及一种检测材料晶界的晶体结构的方法，尤其涉及一种利用原子力显微技术快速检测材料晶界的晶体结构的方法。

背景技术

二维过渡金属硫族化合物(TMDs)由于其优异的性能，近年来被广泛的探索和研究。高质量TMDs材料的制备是实现其在未来应用的基础，目前，利用化学气相沉积法已经实现了TMDs薄膜材料的制备。但是，由于工艺原因，各种工艺制备出的二维材料往往具有很多缺陷，这主要表现为宏观的破洞、褶皱和台阶等，以及微观的晶界和点缺陷等。其中晶界的存在严重影响了材料本身的力学、光学、电学等性能。

因此，如何简单而高效地实现对TMDs材料的晶界探测和表征，进而优化生长条件，提高材料制备质量非常重要。

目前，检测晶界的方法主要有透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、非线性光学二次谐波以及紫外刻蚀等。但是，这些方法操作比较复杂，十分耗时，并且对样品有特殊要求或需要采用特殊方式制样；如TEM测试需要将材料转移至支持膜上、STM测试需要构成导电回路。此外，TEM和STM还有可能对二维材料造成损伤。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种简单、快速检测材料晶界的晶体结构的方法。

一种检测材料晶界的晶体结构的方法，包括如下步骤：

S1、将待检测材料置于原子力显微镜的样品仓中，施加法向载荷，获取待检测材料的摩擦信号；其中，所述材料为多晶材料；

S2、缩小原子力显微镜的扫描范围，增大原子力显微镜的扫描频率，获取待检测材料的晶界上的摩擦信号；

S3、对S2获得的摩擦信号进行傅里叶变换，获得低通滤波图像，即为待检测材料晶界的晶体结构。

进一步地，S1中，测得待检测材料的摩擦信号时的扫描范围为5×5μm²-25×25μm²，进一步为10×10μm²-20×20μm²，更进一步为13×13μm²-17×17μm²，扫描频率为2-5Hz，以获得较好的形貌成像和稳定的摩擦信号。

进一步地，利用原子力显微镜的横向力模块扫描待检测材料的表面的目标区域，获取摩擦信号。

进一步地，S2中，缩小后的扫描范围为5×5nm²-10×10nm²，进一步为6×6nm²-9×9nm²，更进一步为7×7nm²-8×8nm²。

进一步地，S2中，增大后的扫描频率为40-80Hz，进一步为50-70Hz，更进一步为55-65Hz，以克服测试中的热漂影响。

进一步地，所述材料为多晶二维材料。

进一步地，对S2获得的摩擦信号进行二维傅里叶变换处理，获得待检测材料晶界的晶体结构的倒易晶格图，如此，可获得晶界处晶体结构的相关晶格参数，并与理论值比对，判断晶格扭曲情况。

进一步地，所述二维材料为二维过渡金属硫族化合物。

进一步地，所述二维过渡金属硫族化合物包括二硫化钼、二硒化钼中的一种或两种。

进一步地，所述二维过渡金属硫族化合物为连续薄膜；或者，由多个单晶畴合并拼接而成。

进一步地，所述二维过渡金属硫族化合物的层数为1-50层，进一步为5-45层，更进一步为10-40层。

可选的，所述二维过渡金属硫族化合物通过化学气相沉积法、物理气相沉积、机械剥离法中的一种制备而成。

优选地，所述原子力显微镜型号为Cypher S。

进一步地，S3中，对S2获得的摩擦信号进行快速傅里叶变换，获得低通滤波图像。

本发明利用原子力显微镜的横向力模块，可以对二维过渡金属硫族化合物晶界晶体结构进行高分辨成像。本发明提出的方法，通过非常简单的操作，在常温常压环境利用原子力显微镜即可观察到多晶二维过渡金属硫族化合物晶界的晶体结构，且无需对样品进行任何处理。

一般的，若采用传统方法，如透射电子显微镜，检测材料晶界的晶体结构，制样过程时需要将材料转移至支持膜上，需要很长的准备时间，成图也较慢。而本申请利用原子力显微技术，原子力在40-80Hz的扫描频率下成一张图只需要7s，并且进样过程简单节省时间，因此本发明具有简单快速的优点。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

1.本发明的方法简单、快速，且无需对待检测样品进行预处理，也不会损伤样品。

2.本发明利用原子力显微镜的横向力模块对二维过渡金属硫族化合物晶界晶体结构进行表征，其制样方法简单，且在表征过程中对材料内部无损害；

3.原子力显微镜下可快速观测到晶界的晶体结构，相比较其他TEM、STM等大型仪器或光谱学手段，原子力显微镜的表征方法仪器简单，成本极低，操作容易，可快速检测出多晶二维过渡金属硫族化合物晶界的晶体结构。

附图说明

图1a为本发明实施例1中六角星状多晶二硫化钼样品的AFM形貌图；图1b为本发明实施例1中六角星状二硫化钼样品摩擦力信号图，从图中可以清楚的看到晶界处有较高的摩擦信号。

图2a为本发明实施例1中六角星状多晶二硫化钼样品晶界的晶体结构图；图2b为实施例1中六角星状多晶二硫化钼样品晶界处晶体结构的倒易晶格图。

图3a为本发明实施例2中相对转角的多晶二硫化钼样品的AFM形貌图；图3b为本发明实施例2中相对转角的多晶二硫化钼样品摩擦力信号图，从图中可以清楚的看到晶界处有较高的摩擦信号。

图4a为本发明实施例2中相对转角的多晶二硫化钼样品晶界的晶体结构图；图4b为实施例2中相对转角的多晶二硫化钼样品晶界处晶体结构的倒易晶格图。

图5a为本发明实施例3中六角星状多晶二硒化钼样品的AFM形貌图；图5b为本发明实施例3中六角星状多晶二硒化钼样品摩擦力信号图，从图中可以清楚的看到晶界处有较高的摩擦信号。

图6a为本发明实施例3中六角星状多晶二硒化钼样品晶界的晶体结构图；图6b为实施例3中六角星状多晶二硒化钼样品晶界处晶体结构的倒易晶格图。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所述原材料及设备如无特别说明，均能从公开商业途径二得。

实施例1

本实施例中，用原子力显微镜方法简单快速检测二维过渡金属硫族化合物晶界的晶体结构是按以下步骤进行：

（一）、采用化学气相沉积法制备二硫化钼样品，其层数为4层，尺寸为15μm；

（二）、将待测样品放入原子力显微镜的样品仓中，控制扫描范围为17×17μm²，扫描频率为5Hz，检测六角星状多晶二硫化钼样品的摩擦电信号；

（三）、将扫描范围缩小至10×10nm²，扫描频率增大为40Hz，获取六角星状多晶二硫化钼晶界上的摩擦信号；

（四）、利用Igor Pro软件对步骤（三）获取的六角星状多晶二硫化钼晶界上的摩擦信号进行快速傅里叶变化，获得低通滤波图像，即可观测到六角星状多晶二硫化钼晶界的晶体结构。

如图1所示，本实施例测试出的六角星状多晶二硫化钼晶界的晶格取向。图1a为六角星状多晶二硫化钼样品的AFM形貌图；图1b为六角星状多晶二硫化钼样品摩擦力信号图；图2a为六角星状多晶二硫化钼样品晶界的晶格取向，从图中可以明显的看到晶格扭曲；通过Gwyddion软件对步骤（三）获得的摩擦信号图像进行二维傅里叶变换处理，可获得如图2b所示的六角星状多晶二硫化钼样品晶界处晶体结构的倒易晶格图，从中可以得到它的晶格常数：a=3.2Å，b=3.4Å，α=60.92°。由文献可知，单层二硫化钼为 Hexagonal晶格，a=b=3.161Å，α=60°，上述晶格常数的测得值和文献值的差异进一步证实，样品晶界处具有明显的晶格扭曲。

由图可知，在原子力显微镜的形貌图中无法观测到晶界，但是在摩擦力信号途中可以看到晶界处有较高的摩擦力信号，获取样品晶界上的摩擦力信号之后，通过快速傅里叶变换获得低通滤波图像，即可观测到样品晶界的晶体结构。

实施例2

（一）、采用化学气相沉积法制备二硫化钼样品，其层数为2层，尺寸为12μm。

（二）、将待测样品放入原子力显微镜的样品仓中，控制扫描范围为15×15μm²，扫描频率为5Hz，检测具有相对转角的多晶二硫化钼样品的摩擦电信号；

（三）、将扫描范围缩小至10×10nm²，扫描频率增大为40Hz，获取具有相对转角的多晶二硫化钼晶界上的摩擦电信号；

（四）、利用Igor Pro软件对步骤（三）获取的相对转角的多晶二硫化钼晶界上的摩擦信号进行快速傅里叶变化获得低通滤波图像，即可观测到具有相对转角的多晶二硫化钼晶界的晶体结构。

如3所示，本实施例测试出的相对转角的多晶二硫化钼晶界的晶格取向。图3a为具有相对转角的多晶二硫化钼样品的AFM形貌图；图3b为具有相对转角的多晶二硫化钼样品摩擦力信号图。图4a为具有相对转角的多晶二硫化钼样品晶界的晶格取向，从图中可以明显的看到晶格扭曲；通过Gwyddion软件对步骤（三）获得的摩擦信号图像进行二维傅里叶变换处理，可获得如图4b所示的具有相对转角的多晶二硫化钼样品晶界处晶体结构的倒易晶格图，从中可以得到它的晶格常数：a=3.47Å，b=3.83Å，α=54.93°。由文献可知，单层二硫化钼为Hexagonal晶格，a=b=3.161Å，α=60°，上述晶格常数的测得值和文献值的差异进一步证实，样品晶界处具有明显的晶格扭曲。

实施例3

（一）、采用化学气相沉积法制备二硒化钼样品，其层数为2层，尺寸为8μm。

（二）、将待测样品放入原子力显微镜的样品仓中，控制扫描范围为9×9μm²，扫描频率为5Hz，检测六角星状多晶二硒化钼样品的摩擦电信号；

（三）、将扫描范围缩小至10×10nm²，扫描频率增大为40Hz，获取六角星状多晶二硒化钼晶界上的摩擦电信号；

（四）、通过快速傅里叶变换获得低通滤波图像，利用Igor Pro软件对步骤（三）获取的六角星状多晶二硒化钼晶界上的摩擦信号进行快速傅里叶变化，获得低通滤波图像，即可观测到六角星状多晶二硒化钼晶界的晶体结构。

如图5所示，本实施例测试出的六角星状多晶二硒化钼晶界的晶格取向。图5a为六角星状多晶二硒化钼样品的AFM形貌图；图5b为六角星状多晶二硒化钼样品摩擦力信号图；图6a为六角星状多晶二硒化钼样品晶界的晶格取向，从图中可以明显的看到晶格扭曲；通过Gwyddion软件对步骤（三）获得的低通滤波摩擦信号图像进行二维傅里叶变化换处理，可获得如图6b所示的六角星状多晶二硒化钼样品晶界处晶体结构的倒易晶格图，从中可以得到它的晶格常数：a=3.91Å，b=3.82Å，α=56°。由文献可知，单层二硒化钼为Hexagonal晶格，a=b=3.283Å，α=60°，上述晶格常数的测得值和文献值的差异进一步证实，样品晶界处具有明显的晶格扭曲。

由以上实施例可知，通过本发明的方法，可以简单、快速地获得相关材料的晶界的晶体结构。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种检测材料晶界的晶体结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待检测材料置于原子力显微镜的样品仓中，施加法向载荷，获取待检测材料的摩擦信号；

其中，所述材料为多晶二维材料，所述二维材料为二维过渡金属硫族化合物；测得待检测材料的摩擦信号时的扫描范围为9×9μm²-25×25μm²，扫描频率为2-5Hz；

S2、缩小原子力显微镜的扫描范围，增大原子力显微镜的扫描频率，获取待检测材料晶界上的摩擦信号；

其中，缩小后的扫描范围为5×5nm²-10×10nm²；增大后的扫描频率为40-80Hz；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中，测得待检测材料的摩擦信号时的扫描范围为10×10μm²-20×20μm²。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，S1中，测得待检测材料的摩擦信号时的扫描范围为13×13μm²-17×17μm²。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用原子力显微镜的横向力模块扫描待检测材料的表面的目标区域，获取摩擦信号。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，缩小后的扫描范围为6×6nm²-9×9nm²。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，S2中，缩小后的扫描范围为7×7nm²-8×8nm²。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，增大后的扫描频率为50-70Hz。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，S2中，增大后的扫描频率为55-65Hz。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，对S2获得的摩擦信号进行二维傅里叶变换处理，获得待检测材料晶界的晶体结构的倒易晶格图。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述二维过渡金属硫族化合物包括二硫化钼、二硒化钼中的一种或两种。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述二维过渡金属硫族化合物为连续薄膜；或者，由多个单晶畴合并拼接而成。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述二维过渡金属硫族化合物的层数为1-50层。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述二维过渡金属硫族化合物的层数为5-45层。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述二维过渡金属硫族化合物的层数为10-40层。