一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定装置及方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及晶轴取向检测技术领域，尤其涉及一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定装置及方法。背景技术：2.二维材料如黑磷、二硫化铼等由于其独特的二维结构和面内各向异性，在光电子器件研发中有广泛应用，如线偏振光探测器和取向相关二极管等，因此二维材料晶轴取向的检测则具有重要意义。目前，常用的二维材料各向异性检测手段有一定的限制：透射电子显微镜、扫描隧道显微镜方法使样品制备要求复杂，需要特定衬底，且具有一定破坏性；角分辨直流电导过程复杂，需要与样品接触，且分辨率有限；角度分辨拉曼光谱技术需要考虑样品的厚度，激发波长等因素，而且衬底为透明材料时，信号较弱；透射/反射光谱技术受到高背景信号的限制；即使克服了背景信号干扰的方法如偏振反射率测量、各向异性成像技术、扫描偏振调制显微镜等方法仍对衬底的反射/透射率有要求，限制了衬底的选择；非线性光信号方法需要的激光通量高，易造成样品损坏；光热探测对衬底和覆盖物折射率有一定要求，且难以检测封装后的材料。技术实现要素：3.为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定装置及方法，通过利用二维材料的光吸收各向异性，与角分辨角分辨偏振光声显微成像技术相结合，实现对二维材料晶轴取向的测定。4.本发明所采用的第一技术方案是：一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定装置，包括：5.偏振激发光源组件，用于提供具有良好的稳定性、聚焦性和偏振特性的线偏振脉冲激光，并任意改变入射激光的偏振角度；6.照明光源组件，用于提供二维材料样品图像以及确定检测位置；7.光声信号检测组件，用于检测二维材料样品被不同偏振角度的偏振脉冲激光照射后产生的光声信号；8.扫描平台，用于承载二维材料样品，并控制二维材料样品在水平面内进行二维移动，或者控制二维材料样品在水平面内旋转任意角度。9.进一步，所述偏振激发光源组件依次包括纳秒激光器、偏振片和旋偏部件，所述偏振片位于纳秒激光器与旋偏部件之间，其中：10.所述纳秒激光器根据检测二维材料样品的吸收光谱选择发出偏振光所需要的激发波长；11.所述偏振片用于提高纳秒激光器发出的偏振光的偏振度；12.所述旋偏部件用于改变纳秒激光器发出的偏振光的偏振方向。13.进一步，所述照明光源组件依次包括照明光源、第二二向色镜和成像ccd，所述第二二向色镜位于照明光源与成像ccd之间，其中：14.所述照明光源用于提供照明光；15.所述第二二向色镜用于透过照明光并将二维材料样品的反射光反射到成像ccd上；16.所述成像ccd用于接收二维材料样品的反射图像并确定检测位置。17.进一步，所述光声信号检测组件依次包括超声换能器、滤波放大部件、数字采集卡和终端显示设备，其中：18.所述超声换能器用于将二维材料样品产生的超声信号转换为电信号；19.所述滤波放大部件具体包括滤波器和放大器，所述滤波放大部件用于对超声换能器产生的电信号进行滤波与放大处理，提高电信号的强度与信噪比；20.所述数字采集卡用于将模拟电信号转换为数字信号；21.所述终端显示设备用于获取数字信号并进行数据分析以确定二维材料晶轴取向。22.进一步，所述扫描平台包括二维材料样品放置平台、水槽和超声耦合剂，所述水槽内部填充超声耦合剂，所述二维材料样品放置平台浸没于超声耦合剂内，其中：23.所述二维材料样品放置平台用于放置二维材料；24.所述水槽用于存储超声耦合剂；25.所述超声耦合剂用于保护二维材料并作为超声信号的传播介质。26.进一步，还包括反射镜、第一二向色镜和高倍物镜，所述高倍物镜位于光声信号检测组件中的超声换能器的正上方，所述第一二向色镜位于反射镜和高倍物镜的中间，所述反射镜与第一二向色镜光轴垂直重合，其中：27.所述反射镜用于将偏振激发光源组件发出的线偏振脉冲激光反射并与高倍物镜共光轴，以聚焦在二维材料样品上；28.所述第一二向色镜用于反射照明光源组件发出的照明光并与偏振激发光共轴，且反射二维材料样品的反射光；29.所述高倍物镜用于将线偏振脉冲激光聚焦于二维材料样品上。30.本发明所采用的第二技术方案是：一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定方法，包括以下步骤：31.s1、选取二维材料，通过机械剥离方式将二维材料转移至基底表面上，制备二维材料样品，所述二维材料为具备光吸收各向异性的二维材料；32.s2、将制备好的二维材料样品放置在水槽中，水槽内添加超声耦合剂以保护二维材料并作为超声信号的传播介质，所述超声耦合剂包括水、无水乙醇；33.s3、打开照明光源组件中的照明光源，在成像ccd中找到二维材料样品位置并进行定位拍照，其中，所述照明光源包括led光源、卤素灯；34.s4、将偏振激发光源组件发射的激光入射到二维材料样品表面，收集二维材料样品的光声信号，并旋转旋偏部件使入射光偏振方向从0°变换到360°，以获取不同入射光偏振方向下的光声信号，所述旋偏部件包括二分之一波片；35.s5、将每个角度得到的光声信号取最大值，并将其随角度变换的值进行拟合；36.s6、基于终端显示设备，将获取的角分辨光声信号在极坐标下绘制并拟合，得到晶轴取向。37.进一步，所述步骤s1中的机械剥离方式具体包括：38.s11、将二维材料放置在胶带上并按压数秒后移开，获取胶带上留下薄纱状样品；39.s12、反复对折撕开胶带5～6次，将沾有薄纱状样品的胶带贴在基底表面并按压5秒，用镊子将胶带缓慢移开，得到二维材料样品，所述基底包括二氧化硅片、硅晶片、盖玻片、石英片、pdms。40.进一步，所述步骤s4还包括：41.s41、打开纳秒激光器和滤波放大部件，利用labview软件观测到样品的光声信号后，旋转旋偏部件，每旋转5°记录一次该角度下的光声信号幅值。42.进一步，所述步骤s6中的绘制拟合具体包括：43.s61、将获得的不同角度下的光声信号幅值输入到origin软件中进行“sine”非线性拟合，通过对拟合函数进行计算，得到晶轴取向。44.本发明方法及系统的有益效果是：本发明通过使用线偏振的纳秒脉冲激光照射二维材料，二维材料吸收脉冲激光后基于光声效应产生超声信号即光声信号，吸收体吸收光能导致局部温升，进而引起局部膨胀，并由超声换能器采集，通过对超声换能器接收到的光声信号进行分析重建，即可获得样品的光吸收特点，改变入射激光的偏振方向，并记录不同偏振方向下的光声信号幅值，通过对光声信号幅值变化分析，利用二维材料的光吸收各向异性，与角分辨角分辨偏振光声显微成像技术相结合，实现对二维材料晶轴取向的测定。附图说明45.图1是本发明一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定装置的结构示意图；46.图2是本发明一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定方法的步骤流程示意图；47.图3是本发明具体实施例中黑磷样品的光学照片和角分辨偏振光声信号随激发光偏振角度变化的数据图，以及对黑磷扶手椅晶轴(ac轴)取向的分析结果示意图；48.附图标记：1、偏振激发光源组件；101、纳秒激光器；102、偏振片；103、旋偏部件；201、反射镜；202、第一二向色镜；203、高倍物镜；3、照明光源组件；301、照明光源；302、第二二向色镜；303、成像ccd；4、光声信号检测组件；401、超声换能器；402、滤波放大部件；403、数字采集卡；404、终端显示设备；501、二维材料样品放置平台；502、水槽；503、超声耦合剂。具体实施方式49.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。50.光声成像是基于光声效应，脉冲激光照射样品后，吸收体吸收光能导致局部温升，进而引起局部膨胀，从而产生超声波(即光声信号)，通过对超声换能器401接收到的光声信号进行分析重建，即可获得样品的光吸收特点，而利用二维材料的光吸收各向异性，与角分辨偏振光声显微成像技术相结合，能够实现检测二维材料晶轴取向；51.本发明基于角分辨偏振光声成像技术和二维材料的光吸收系数各向异性特征，使用线偏振的纳秒脉冲激光照射二维材料，二维材料吸收脉冲激光后基于光声效应产生超声信号，又称光声信号，并由超声换能器401采集，改变入射激光的偏振方向，并记录不同偏振方向下的光声信号幅值，通过对光声信号幅值变化分析，实现对二维材料晶轴取向的测定。52.参照图1，本发明提供了一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定装置，该装置主要包括偏振激发光源组件1、照明光源组件3、光声信号检测组件4和扫描平台，另还包括反射镜201、第一二向色镜202和高倍物镜203，其中：53.所述偏振激发光源组件1，用于提供具有良好的稳定性、聚焦性和偏振特性的线偏振脉冲激光，并任意改变入射激光的偏振角度；54.进一步的，所述偏振激发光源组件1依次包括纳秒激光器101、偏振片102和旋偏部件103，所述偏振片102位于纳秒激光器101与旋偏部件103之间，所述纳秒激光器101根据检测二维材料样品的吸收光谱选择发出偏振光所需要的激发波长；所述偏振片102用于提高纳秒激光器101发出的偏振光的偏振度；所述旋偏部件103用于改变纳秒激光器101发出的偏振光的偏振方向，激光本身即具有偏振态，但使用偏振片102再次启偏后，会获得更高偏振度，提高检测精度；55.能够以任意角度入射的偏振脉冲激光，利用偏振片102获得高偏振度的线偏光，再利用二分之一波片改变入射光的偏振方向，使用高倍物镜203将激光入射到样品。56.所述照明光源组件3，用于提供二维材料样品图像以及确定检测位置；57.进一步的，所述照明光源组件3依次包括照明光源301、第二二向色镜302和成像ccd303，所述第二二向色镜302位于照明光源301与成像ccd303之间，所述照明光源301用于提供照明光；所述第二二向色镜302用于透过照明光并将二维材料样品的反射光反射到成像ccd303上；所述成像ccd303用于接收二维材料样品的反射图像并确定检测位置；58.利用第一二向色镜202将照明led光源和入射脉冲激光共轴，照射到样品上，并使用ccd接收反射光，从而确定检测点位置；59.所述光声信号检测组件4，用于检测二维材料样品被不同偏振角度的偏振脉冲激光照射后产生的光声信号；60.进一步，所述超声换能器401用于将二维材料样品产生的超声信号转换为电信号；所述滤波放大部件402具体包括滤波器和放大器，所述滤波放大部件402用于对超声换能器401产生的电信号进行滤波与放大处理，提高电信号的强度与信噪比；所述数字采集卡403用于将模拟电信号转换为数字信号；所述终端显示设备404用于获取数字信号并进行数据分析以确定二维材料晶轴取向；61.所述扫描平台，用于承载二维材料样品，并控制二维材料样品在水平面内进行二维移动，或者控制二维材料样品在水平面内旋转任意角度；62.进一步，所述扫描平台包括二维材料样品放置平台501、水槽502和超声耦合剂503，所述水槽502内部填充超声耦合剂503，所述二维材料样品放置平台501浸没于超声耦合剂503内，所述二维材料样品放置平台501用于放置二维材料；所述水槽502用于存储超声耦合剂503；所述超声耦合剂503用于保护二维材料并作为超声信号的传播介质；63.为了进一步优化本方案的实施例，还包括反射镜201、第一二向色镜202和高倍物镜203，所述高倍物镜203位于光声信号检测组件4中的超声换能器401的正上方，所述第一二向色镜202位于反射镜201和高倍物镜203的中间，所述反射镜201与第一二向色镜202光轴垂直重合，所述反射镜201用于将偏振激发光源组件1发出的线偏振脉冲激光反射并与高倍物镜203共光轴，以聚焦在二维材料样品上；所述第一二向色镜202用于反射照明光源组件3发出的照明光并与偏振激发光共轴，且反射二维材料样品的反射光；所述高倍物镜203用于将线偏振脉冲激光聚焦于二维材料样品上；64.载有二维材料的平台设置于超声换能器401的下方，并具有二维轨道以在ccd成像视野中找到样品并确定检测位置，带有二维材料的样品平台可以是将反射率高的硅片和二维材料相结合，也可以是将透射率高的玻璃片和二维材料相结合，还可以是在机械剥离过程中直接带有二维材料的胶带和基底相结合。65.基于图1所示的二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定装置，本发明还根据所示装置提供一种二维材料晶轴取向的角分辨偏振光声测定方法，如图2所示，具体实施步骤如下所示：66.s1、选取二维材料，通过机械剥离方式将二维材料转移至基底表面上，制备二维材料样品，所述二维材料为具备光吸收各向异性的二维材料；67.s11、将二维材料放置在胶带上并按压数秒后移开，获取胶带上留下薄纱状样品；68.s12、反复对折撕开胶带5～6次，将沾有薄纱状样品的胶带贴在基底表面并按压5秒，用镊子将胶带缓慢移开，得到二维材料样品，所述基底包括二氧化硅片、硅晶片、盖玻片、石英片、pdms；69.s2、将制备好的二维材料样品放置在水槽502中，水槽502内添加超声耦合剂503以保护二维材料并作为超声信号的传播介质，所述超声耦合剂503包括水、无水乙醇；70.s3、打开照明光源组件3中的照明光源301，在成像ccd303中找到二维材料样品位置并进行定位拍照，得到二维材料样品图像，所述定位拍照是由于二维材料尺寸太小，需要借助ccd成像工具找到样品位置，并以光学照片的形式提供所检测的二维材料形状信息以及激光实际聚焦位置，其中，所述照明光源301包括led光源、卤素灯；71.s4、将偏振激发光源组件1发射的激光入射到二维材料样品表面，收集二维材料样品的光声信号，并旋转旋偏部件103使入射光偏振方向从0°变换到360°，以获取不同入射光偏振方向下的光声信号，所述旋偏部件103包括二分之一波片；72.s41、打开纳秒激光器101和滤波放大部件402，利用labview软件观测到样品的光声信号后，旋转旋偏部件103，每旋转5°记录一次该角度下的光声信号幅值；73.s5、将每个角度得到的光声信号取最大值，并将其随角度变换的值进行拟合；74.s6、基于终端显示设备404，将获取的角分辨光声信号在极坐标下绘制并拟合，得到晶轴取向；75.s61、将获得的不同角度下的光声信号幅值输入到origin软件中进行“sine”非线性拟合，通过对拟合函数进行计算，得到晶轴取向。76.具体地，通过机械剥离的方式将二维材料转移到基底上，并将基底放置在装有作为超声耦合介质的无水乙醇的水槽502中，利用高倍物镜203将脉冲激光聚焦维材料上，二维材料吸收脉冲激光能量后产生超声波(也称光声信号)，并利用超声换能器401接受光声信号。利用二分之一波片，改变入射激光的偏振角度，超声换能器接收不同入射激光角度下的光声信号并提取幅值，最后将幅值按照不同入射角度依次绘制到同一张极化图上，并将角度值以箭头的方式标注在极化图上，便得到了二维材料晶轴取向的信息。77.如图3所示，结合具体实施例(以二维黑磷为例)对本发明的具体实现进行详细描述，其他二维材料的测试过程以及原理类似，在此不再另外描述；78.首先用机械剥离的方式在硅片基底上制备薄层黑磷，并将样品平台放置在水槽502中，添加无水乙醇作为超声耦合剂503，随后将定制的中空超声换能器401浸入无水乙醇中，并结合ccd获取实时图像，如图3a所示，将聚焦好的激发光入射到合适的样品位置上以产生光声信号；旋转二分之一波片，从0°到180°，每旋转5°记录该角度下的光声信号幅值，其绘制结果如图3b所示，最后将上述数据绘制在极化图中，采用sin函数拟合，得到了其扶手椅轴(ac轴)的取向角度为9.9°，如图3c所示。79.各向异性二维材料在光、电、热等方面具有面内各向异性，这些各向异性特性为设计新颖的电子和光学设备应用提供了更多的自由度，如光探测器、发光二极管、光通信、纳米电子器件等。80.上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。81.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。









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