[发明专利]检测二维材料的表面平整度的方法

说明书

本发明涉及检测二维材料的表面平整度的方法。根据一示例性实施例，一种检测二维薄膜材料的表面平整度的方法，包括：在二维薄膜材料的表面上形成至少一个液滴；测量所述至少一个液滴的接触角；以及基于该接触角来检测该表面的平整度。

技术领域

本发明总体上涉及检测表面平整度的方法，更特别地，涉及一种快速地检测具有原子尺度表面平整度的二维薄膜材料的平整度的方法。

背景技术

近年来，二维(two-dimensional，2D)材料和范德瓦耳斯(Van der Waals)层状材料由于其特殊的电子、光学、磁性质已受到了极大的研究关注。这类材料中一个特别的例子是拓扑绝缘体，它同时具有绝缘性质的体态和导电性质的边缘态。拓扑绝缘体中由时间反演对称性(Time-reversal-symmetry)保护的表面态对自旋电子学的应用和拓扑计算至关重要。再例如六方氮化硼(h-BN)，具有和石墨相同的晶体结构。由于表面平整、化学稳定性强和介电性能好等原因，六方氮化硼不仅可用作石墨烯(由单层碳原子构成的六角形蜂巢晶格的平面二维材料)的近乎完美的衬底，也可以和石墨烯构成异质结和超结构，在理论基础研究和电子器件探索方面均具有重要应用潜力。这一类材料最新奇的物理性质往往出现在其表面或者其与其它材料接触的界面上，因此该类材料的表面平整度尤其重要。

为获得较高质量的样品，这类材料一般通过化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)等手段合成。虽然通过此类实验手段获得的样品理论上应该具有非常平整的表面(后者合成的样品甚至能达到原子级别的平整度)，但由于上述两种实验手段对衬底的种类、衬底的温度以及沉积速率等都非常敏感，导致生长的样品表面通常都具有一些缺陷和某些特征结构，例如通过分子束外延(MBE)生长的层状拓扑绝缘体Bi₂Se₃的表面具有三角形的梯田结构。

因此，定量表征这类材料表面的平整度是必需的步骤，当然也是一个巨大的挑战。在一般情况下，样品表面的特征是由原子力显微镜(AFM)来衡量，即通过原子力显微镜(AFM)测量样品表面x位置处的沟壑深度Z(x)，然后根据下面的公式(1)来计算得到均方根(RMS)粗糙度以表征该样品 表面形貌的平整度。对于单原子层样品，则需要通过扫描隧道显微镜(STM)来衡量。

然而，这些方法也有若干缺点。首先，原子力显微镜和扫描隧道显微镜设备昂贵，扫描速度非常慢，这将严重限制对样品较大区域的表征速率。再者，也更重要的是,均方根(RMS)粗糙度仅仅是对样品表面起伏高度分布的统计，并不能有效地表征上述这一类原子级薄膜样品表面的真实形貌。

因此，迫切需要开发更快和更简单的新方法来描述这类新型功能性材料的表面平整度。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种快速且简单地检测二维材料的表面平整度的方法。

根据一示例性实施例，一种检测二维薄膜材料的表面平整度的方法可包括：在二维薄膜材料的表面上形成至少一个液滴；测量所述至少一个液滴的接触角；以及基于该接触角来检测该表面的平整度。

在一示例中，所述至少一个液滴包括多个液滴，测量所述至少一个液滴的接触角包括测量所述多个液滴中的每个液滴的接触角并且计算所述多个接触角的平均值。

在一示例中，基于该接触角来检测该表面的平整度包括：根据Wenzel模型，基于该接触角来计算该表面的平整度。例如，当该表面包括均一的化学组分时，根据公式cosθ'＝Rcosθ来计算该表面的平整度。当该表面包括两种化学组分时，根据公式cosθ'＝k*Rcosθ+(1-k)*cosθ来计算该表面的平整度。其中，R是该表面的平整度，θ'是测量得到的所述至少一个液滴的接触角，θ是所述至少一个液滴在理想光滑的该表面上的理想接触角，k是所述两种化学组分的自由能的比值，且|k|≥1。