En metode til eksfolierende store tynde flager af luft følsomme over todimensional materialer og sikkert transportere dem til analyse uden for et handskerum præsenteres.
Vi beskriver metoder til at producere og analysere store, tynde flager af luft-følsomme todimensionale materialer. Tynde flager af lagdelte eller van der Waals krystaller er fremstillet ved hjælp af mekaniske eksfoliering, hvor lag er skrælles en bulk krystal ved hjælp af selvklæbende tape. Denne metode producerer høj kvalitet flager, men de er ofte små og kan være svære at finde, især for materialer med relativt høje kavalergang energier såsom sort fosfor. Ved opvarmning af substratet og båndet, to-dimensionelle materielle vedhæftning til underlaget er forfremmet og flake udbytte kan forhøjes med op til en faktor på 10. Efter peeling, er det nødvendigt at billede eller anden måde analysere disse flager, men nogle to-dimensionelle materialer er følsomme over for ilt og vand og vil forringe når udsat luft. Vi har designet og testet en hermetiske overførsel celle for at midlertidigt opretholde inert miljøet i et handskerum, således at luft-følsomme flager kan afbildet og analyseret med minimal forringelse. Den kompakte konstruktion af cellen overførsel er sådan, at optisk analyse af følsomme materialer kan udføres uden for et handskerum uden specialudstyr eller ændringer af eksisterende udstyr.
Forskellige lag materialer, der kan være afstødes ned til en enkelt atomare lag har vakt interesse over en bred vifte af områder. Men undersøgelsen og anvendelsen af mange af disse materialer er kompliceret af, at de er ustabile i luften og hurtigt oxidere eller hydrat, når de udsættes. For eksempel; sort fosfor er en halvleder med afstemmelige direkte band gap, høj mobilitet og Anisotropisk optisk og elektriske egenskaber1,2,3,4,5 men er ustabil i luften og vil forværres i mindre end en time6,7 på grund af interaktion med ilt8. CrI3 har for nylig vist sig at udstille todimensional ferromagnetism9,10,11 , men når de udsættes for luft, det nedbryder næsten øjeblikkeligt11.
Enheder fremstillet af disse materialer kan beskyttes fra luft ved at arbejde i et handskerum og indkapsle dem i en kemisk inert materiale såsom sekskantede bor nitride12,13. Dog ved udviklingen af disse enheder, er det ofte nødvendigt at identificere og analysere flager før indkapsling. Denne analyse kræver enten at fjerne prøven fra handskerum inert miljøet eller sætte analyseudstyr i handskerum. Fjernelse af prøven, selv for en kort tid, skade risici via oxidation eller hydrering, mens placere det nødvendige udstyr inde i et handskerum kan være dyre og besværlige. For at afhjælpe dette, designet vi en hermetiske overførsel celle, der sikkert omslutter en prøve at holde det i en inert miljø, således at det kan blive fjernet fra handskerum. Mens i cellen overførsel sidder en prøve 0.3 mm under en glasrude at tillader nem identifikation af flager under et mikroskop samt brugen af optiske analyseteknikker som fotoluminescens eller Raman spektroskopi.
Nogle to-dimensionelle materialer, ud over at være luft følsom, er også svært at eksfoliere i tynde flager med metoden typisk mekanisk eksfoliering, fordi en relativt høj kavalergang energi og/eller relativt svage i flyet obligationer. Andre metoder, såsom CVD vækst14,15, flydende eksfoliering16eller guld medieret eksfoliering17,18 er blevet udviklet til fremstilling af tynde lag men kan resultere i mindre end uberørte flager og kun arbejde for visse materialer. Selvom eksfoliering af graphene ved forhøjede temperaturer har været kendt for at producere store flager for mindst et årti19, har denne teknik været kvantitativt kendetegnet for nylig for både graphene og Bi2Sr2CaCu2 Ox flager20. Vi viser her, at hot eksfoliering forbedrer eksfoliering udbytte også for sorte fosfor, et materiale, der er notorisk vanskeligt at eksfoliere. Denne teknik, sammen med en hermetiske overførsel celle, letter eksfoliering og analyse af luft følsomme, to-dimensionelle materialer.
Hot eksfoliering bevarer typisk mekanisk eksfoliering evne til at producere uberørte tynde flager samtidig også undgå mange downfalls af alternativer. Lige typisk mekanisk eksfoliering er denne teknik ikke begrænset til en lille delmængde af materialer. Hot eksfoliering kan anvendes til materiale, der kan være afstødes bruger stuetemperatur mekaniske eksfoliering, så længe materialet tåler opvarmning til 120 ° C i 2 min. i en inert atmosfære. Vi bemærker også, at det har været vist20 , opvarmningstid og temperatur (over 100 ° C) ikke gør nogen mærkbar forskel i flake tæthed. Sammen med øget kontakt forbedres gennemsnitlige flake størrelse også ved at øge bindingsstyrke mellem substratet og flager. Én måde at gøre dette ville være ved at behandle substrat med O2 plasma men det ville også gøre flager svært eller umuligt at afhente til brug i enheder, der kræver heterostructure fabrikation20.
Cellen overførsel kan være fremstillet af enhver egnet metal. Vi brugt aluminium, fordi det er let at bearbejde, men det skal bemærkes, at TCE (bruges til at fjerne epoxy) er ætsende aluminium, når unstabilized, opvarmet eller blandet med vand. Rustfrit stål ville være mere holdbare og mindre reaktiv med forfatningstraktaten. Vi har dog ikke set nogen ætsende virkninger ved hjælp af denne metode på RT. Til billedbehandling og analyse med høj numerisk blænde mål er opførelsen af cellen overførsel sådan, at når lukket, i bunden af vinduet er 0,8 mm over toppen af basen. 0,5 mm tyk substrat, 0,1 mm tyk lim sidder prøven 0.3 mm under toppen af cellen overførsel. Denne nærhed giver mulighed for billedbehandling og analyse med høj forstørrelse og relativt korte arbejde afstand mål. Ekspanderet materiale kan tydeligt ses på 5, 20, 50 gange forstørrelse giver mulighed for nem identifikation af tynde flager. På højere forstørrelser, sfæriske aberrationer forårsaget af vinduet væsentligt forringer billedkvaliteten. Forudsat at stikprøven substrat er mindre end 0,7 mm tyk, er der ingen risiko af over stramning i cellen. Når fælles landbrugspolitik er skruet ned, udvist overskydende gas gennem udluftning i tråde. Under opførelsen, den præcise placering af ventilen er ikke vigtigt, men det er vigtigt, at det ikke er blokeret af prøven, vakuum fedt eller noget andet. Ventilen forhindrer, at vinduet skrøbelige 0.1 mm tyk bryde grund af overtryk når hætten er skruet ned. Vinduet kan kun modstå pres ændringer af et par mbar.
Vinduet daekglas bruges til overførsel celler er lavet af borsilikatglas men for optisk analyse på bølgelængde end synlige for nær-infrarødt, andre vindue materialer kan være brug. For den bedste imaging, bør omhu tages, når installere glasvindue. Hvis ikke sidder korrekt, kunne afstanden mellem prøve- og vinduet blive større end forventet. Især for små arbejde afstand mål, kan dette forårsage mål at crashe ind og bryde vinduet. Også, nogle epoxyer vil helbrede hurtigere ved højere temperaturer, men fordi metaller og glas har forskellige termisk ekspansion koefficienter, enken vil deformere efter afkøling til stuetemperatur. Epoxy bør blive helbredt ved samme temperatur som det vil blive brugt (dvs. Hvis cellen vil blive brugt ved stuetemperatur), epoxy bør også blive helbredt ved stuetemperatur.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af NSF award række DMR-1610126.
Ablestik 286 epoxy | Loctite | 256 6 OZ TUBE KIT | air-tight epoxy |
Acetone | EDM Millipore Corporation | 67-64-1 | |
Circular coverglass, 24 mm dia, 0 thickness | Agar Scientific | AGL46R22-0 | window glass |
Dicing tape | Ultron systems | 1009R | exfoliation tape |
High-Vacuum grease | Dow Corning | 1597418 | O-ring grease |
Isopropanol | VWR Chemicals | BDH20880.400 | |
Silicon wafer, 300 nm oxide | University Wafer | E0851.01 | flake substrate |
Silicon wafer, 90 nm oxide | Nova Electronic Materials | HS39626-OX | flake substrate |