CN108502620B - 一种二维材料的折叠***及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维材料的折叠***及其使用方法。在衬底上放置二维材料；将热释放胶带的黏性面粘在折纸臂上。通过显微镜筒，操控XYZR四轴微调平台和XYZ三轴微调平台，使得热释放胶带的另一面对准二维材料后，向下移动折纸臂，使得热释放胶带与二维材料紧密接触并粘合；抬起折纸臂，使得二维材料部分从衬底剥离；横向移动折纸臂，对二维材料进行形变弯折；向下移动折纸臂并施加一定的压力，对获得的结构进行定型；加热折纸臂上的热释放胶部分，对二维材料进行释放；释放后，向上移动折纸臂，获得经过折叠的二维材料；重复该操作，获得所需折叠结构。本发明***可操作性强，可获得多种折纸结构。
Description
技术领域
本发明属于先进材料和人工微结构制造技术领域，具体涉及一种二维材料的折叠***及其使用方法。
背景技术
二维材料是指在厚度方向为原子尺度，而在平面方向远大于原子尺度的一类材料。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料--石墨烯(graphene) 而提出的。二维材料种类非常多，比如硫化物二维材料，氧化物二维材料，单质二维材料等等，总数有数百种。其中，最典型二维材料是石墨烯，其由只有一个碳原子厚度的碳六边形结构规则排列而成。石墨烯区别于零维的量子点和一维的纳米线，因此具有一些特殊的性能，如载流子只能在二维结构的石墨烯六边形结构的平面内运动，并且具有非常高的迁移率。对其他二维材料的研究也发现了类似的结果。研究发现，二维材料具有优异的光电特性与机械特性，可以应用于传感、光探测、柔性器件等多个技术领域。因此，关于二维材料的研究成为学术界和业界关注的热点。
近年来，随着研究和认识的进一步深入，人们发现，实际上维度的改变是调控材料性质的重要出发点。因此，近年来有部分研究者提出维度可调控材料的研究思路。典型的，目前备受关注的是将二维材料转变为三维或者一维结构，即二维材料折纸的技术。通俗而言，二维材料折纸是将二维材料进行折叠、翻转、撕裂等操作，使部分或者整体的二维结构转变为三维立体结构的技术。由于维度的变化往往会带来性能质的极大的变化，二维材料折纸的前景将会非常广阔。二维材料的尺度较小，因此大部分宏观尺度的，传统意义上的折纸方法对其并不适用，因此，目前备受关注的是寻找到可控，低成本，简单直接的实现二维材料折纸的方法。
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二维材料的折叠***及其使用方法，该***结构简单，成本低廉，且可操作性强。
一种二维材料的折叠***，包括衬底、XYZR四轴微调平台、XYZ三轴微调平台、夹持器、折纸臂、显微镜筒和显示器，所述夹持器位于XYZ三轴微调平台上，所述折纸臂安装在夹持器上，且折纸臂向外延伸的部分位于衬底正上方，且贴有热释放胶带，所述折纸臂为温控折纸臂，所述显微镜筒位于衬底正上方，且高于折纸臂，所述显微镜筒与显示器相连；所述显微镜筒为长工作距离显微镜，工作距离大于0.5厘米，显微镜分辨率小于0.5微米，所述折纸臂由透明材料制成，所述XYZR四轴微调平台和XYZ三轴微调平台的精度均为微米。
作为改进的是，所述折纸臂的温控范围为0-400℃。
作为改进的是，所述热释放胶在低于热释放温度时，粘合力大于3.0N/25mm；高于热时放释放温度时，粘合力小于0.5N/25mm。
作为改进的是，所述折纸臂为伸缩移动机构。
上述二维材料的折叠***的使用方法，包括以下步骤：步骤1，使用制备有二维材料的衬底；步骤2，将热释放胶带有黏性的一面粘在折纸臂上，通过显微镜筒，操控XYZR四轴微调平台和XYZ三轴微调平台，使得热释放胶带的另一面对准二维材料的需要折叠的部分后，向下移动折纸臂，使得热释放胶带与二维材料紧密接触并粘合；步骤3，移动抬起折纸臂，使得二维材料的一侧从衬底剥离，折纸臂向上继续提拉使二维材料部分或整体与衬底分离，横向移动折纸臂，对二维材料进行折叠，向下移动折纸臂，对获得的结构进行定型；加热折纸臂上的热释放胶部分，对二维材料进行释放；待释放后，向上移动折纸臂，获得经过折叠的二维材料；步骤4，根据需要，重复步骤2和步骤3得所需结构。
作为改进的是，所述热释放胶的边缘形状为平直边缘、V形边缘、锯齿形边缘、梯形边缘或圆弧形边缘。
有益效果
与现有技术相比，本发明一种二维材料的折叠***及其使用方法。该折叠***简单，将二维材料转变为三维材料的折叠方法新颖、高效。在实验的过程中，没有溶液的作用，所以理论上可以实现零污染，这样才能最大限度上发挥二维材料巨大的潜力，为新材料的制备以及相关器械等研究提供了新的发展思路，具有深刻和广泛的研究意义。具体表现如下：
1、本发明***原理清晰，组成***的部件简单，成本低廉；
2、本发明***适用于不同的二维材料，不同材料都可使用类似原理实现；
3、整个折叠过程可以直接通过显微镜观察到，可控性强。
4、可实现同一种二维材料不同位置或者不同种二维材料进行折叠，从而得到结构更为复杂的三维材料。
附图说明
图1为本发明二维材料的折叠***的结构示意图，其中，1-衬底，2- XYZR四轴微调平台，3-XYZ三轴微调平台，4-夹持器，5-折纸臂，6-显微镜筒，7-显示器。
图2为本发明所述的衬底与二维材料的结合图，其中（a）为侧视图，（b）为俯视图，1- 衬底，9- 二维材料；
图3为本发明热释放胶带与折纸臂的结合图，其中，（a）为侧视图，（b）为俯视图，5-折纸臂，8-热释放胶带；
图4为本发明的折叠工序，其中黑色箭头代表本过程中折叠，定型和释放的操作顺序，白色箭头代表折纸臂移动的方向；
图5为实施例2中折叠过程原理图，其中，虚线显示折叠过程中对称线的位置；
图6为本发明折叠石墨烯材料一次的实物图；
图7为本发明折叠石墨烯材料二次的实物图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明的方法进行详细描述和说明。其内容是对本发明的解释而非限定本发明的保护范围。
实施例1
一种二维材料的折叠***，包括衬底、XYZR四轴微调平台、XYZ三轴微调平台、夹持器、折纸臂、显微镜筒和显示器，所述夹持器位于XYZ三轴微调平台上，所述折纸臂安装在夹持器上，且折纸臂向外延伸的部分位于衬底正上方，且贴有热释放胶带，所述折纸臂为温控折纸臂，所述显微镜筒位于衬底正上方，且高于折纸臂，所述显微镜筒与显示器相连；所述显微镜筒为长工作距离显微镜，工作距离大于0.5厘米，显微镜分辨率小于0.5微米，所述折纸臂由透明材料制成，所述XYZR四轴微调平台和XYZ三轴微调平台的精度均为微米。所述折纸臂为伸缩移动机构。
实施例2
上述二维材料的折叠***的使用方法，包括以下步骤：步骤1，使用制备有二维材料的衬底；步骤2，将热释放胶带有黏性的一面粘在折纸臂上，通过显微镜筒，操控XYZR四轴微调平台和XYZ三轴微调平台，使得热释放胶带的另一面对准二维材料的需要折叠的部分后，向下移动折纸臂，使得热释放胶带与二维材料紧密接触并粘合；步骤3，移动抬起折纸臂，使得二维材料的一侧从衬底剥离，折纸臂向上继续提拉使二维材料部分或整体与衬底分离，横向移动折纸臂，对二维材料进行折叠，向下移动折纸臂，对获得的结构进行定型；加热折纸臂上的热释放胶部分，对二维材料进行释放；待释放后，向上移动折纸臂，获得经过折叠的二维材料；步骤4，重复步骤2和步骤3，获得所需折叠结构。
在衬底上制备二维材料时，需要对衬底进行预处理，所述的预处理包括以下步骤：第一步，将切好的硅片依次用去离子水和无水乙醇反复冲洗3次，将洗好的硅片放入装有去离子水的烧杯，超声清洗10分钟；第二步，将超声清洗后的硅片置于煮沸的清洗液中煮沸10-15分钟，再依次用去离子水和无水乙醇反复冲洗3次后，烘干，即可。清洗液由质量分数30%过氧化氢溶液，质量分数25%~28%的氨水溶液，去离子水按照体积比为1：1：5配置而成。
利用实施例1的***，按照实施例2折叠二维材料后的图样，如图4- 5所示，其中图4中黑色小箭头代表本过程中折叠，定型和释放的操作顺序，空心尖头代表着折纸臂的移动方向，图5中虚线显示进行折叠的对称线的位置。
图6-7是利用实施例1结合实施例2折叠石墨烯材料的实物图，其中图6为折叠一次的结果，图7为折叠2次的结果。
从上述图片可以看出，与现有技术相比，本发明一种二维材料的折叠***以及使用方法。该折叠***简单，将二维材料转变为三维材料的折叠方法新颖、高效，为新材料的制备以及相关器械等研究提供了新的发展思路，具有深刻和广泛的研究意义。
Claims (6)
1.一种二维材料的折叠***，其特征在于，包括衬底、XYZR四轴微调平台、XYZ三轴微调平台、夹持器、折纸臂、显微镜筒和显示器，所述衬底位于XYZR四轴微调平台正上方，所述夹持器位于XYZ三轴微调平台上，所述折纸臂安装在夹持器上，且折纸臂向外延伸的部分位于衬底正上方，且贴有热释放胶带，所述折纸臂为温控折纸臂，所述显微镜筒位于衬底正上方，且高于折纸臂，所述显微镜筒与显示器相连；所述显微镜筒为长工作距离显微镜，工作距离大于0.5厘米，显微镜分辨率小于0.5微米，所述折纸臂由透明材料制成，所述XYZR四轴微调平台和XYZ三轴微调平台的精度均为微米。
2.根据权利要求1所述的一种二维材料的折叠***，其特征在于，所述折纸臂的温控范围为0-400℃。
3.根据权利要求1所述的一种二维材料的折叠***，其特征在于，所述热释放胶带在低于热释放温度时，粘合强度大于3.0N/25mm；高于热时放释放温度时，粘合强度小于0.5N/25mm。
4.根据权利要求1所述的一种二维材料的折叠***，其特征在于，所述折纸臂为伸缩移动机构。
5.基于权利要求1所述的一种二维材料的折叠***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，使用制备有二维材料的衬底；步骤2，将热释放胶带有黏性的一面粘在折纸臂上，通过显微镜筒，操控XYZR四轴微调平台和XYZ三轴微调平台，使得热释放胶带的另一面对准二维材料的需要折叠的部分后，向下移动折纸臂，使得热释放胶带与二维材料紧密接触并粘合；步骤3，移动抬起折纸臂，使得二维材料的一侧从衬底剥离，折纸臂向上继续提拉使二维材料部分或整体与衬底分离，横向移动折纸臂，对二维材料进行折叠，向下移动折纸臂，对获得的结构进行定型；加热折纸臂上的热释放胶带部分，对二维材料进行释放；待释放后，向上移动折纸臂，获得经过折叠的二维材料；步骤4，根据需要，重复步骤2和步骤3得所需结构。
6.根据权利要求5所述的一种二维材料的折叠***的使用方法，其特征在于，所述热释放胶带的边缘形状为平直边缘、V形边缘、锯齿形边缘、梯形边缘或圆弧形边缘。
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