Luchtdruk fabricage van grote en middelgrote enkellaags rechthoekig SnSe vlokken
Summary
Een protocol wordt gepresenteerd tonen een tweestaps fabricage techniek om te groeien groot formaat enkellaags rechthoekige gevormde SnSe goedkope SiO2/Si diëlektrica (wafers) in een systeem met luchtdruk kwarts buisjes oven vlokken.
Abstract
Tin selenide (SnSe) behoort tot de familie van gelaagde metalen Chalcogeniden materialen met een verbogen structuur, zoals phosphorene en leert potentiële voor toepassingen in tweedimensionale nano-elektronica-apparaten. Hoewel vele methoden voor het synthetiseren van SnSe nanokristallen hebben ontwikkeld, blijft een eenvoudige manier om het fabriceren van grote en middelgrote enkellaags SnSe vlokken een grote uitdaging. Hierin laten we zien de experimentele methode direct groeien groot formaat enkellaags rechthoekig SnSe op veelgebruikte SiO2/Si isolerende substraten vlokken, met behulp van een eenvoudig twee stappen fabricage methode in een atmosferische druk kwarts buis oven systeem. De rechthoekige SnSe van enkellaags vlokken met een gemiddelde dikte van ~6.8 Å en laterale afmetingen van ongeveer 30 µm × 50 µm werden vervaardigd door een combinatie van damp vervoer afzetting techniek en stikstof etsen route. Wij gekenmerkt de morfologie, microstructuur en elektrische eigenschappen van de rechthoekige SnSe vlokken en behaalde uitstekende kristalliniteit en goede elektronische eigenschappen. Dit artikel over de methode van de fabricage in twee fasen kan helpen onderzoekers groeien van andere soortgelijke tweedimensionale, groot formaat, enkellaags materialen met behulp van een systeem van de atmosferische druk.
Introduction
Onderzoek naar twee dimensionale (2D) materialen heeft bloeide in de afgelopen jaren sinds de succesvolle isolatie van grafeen, te wijten aan de mogelijkheid van 2D materiaal dat superieure elektrische, optische en mechanische eigenschappen over hun bulk tegenhangers1 , 2 , 3 , 4 , 5. 2D materialen in opto-elektronische en elektronische apparaten6,7, katalyse en water8,9, oppervlakte-enhanced Raman splitsen van verstrooiing sensing veelbelovende toepassingen weergeven 10,11, etc. de grote familie van gelaagde materialen die kunnen worden geëxpandeerd in 2D materialen Toon grote diversiteit, variërend van de semi-metalen grafeen tot de halfgeleidende overgangsmetalen dichalcogenides (TMDs ) en fosfor (BP) aan de isolerende zeshoekige boornitride (h-BN) zwart. Deze materialen en hun Heterostructuren zijn in de afgelopen jaren goed bestudeerd en hebben veel nieuwe eigenschappen en toepassingen12tentoongesteld. Andere minder bestudeerd, maar ook veelbelovende 2D gelaagde materialen in de IIIA-VIA (GaS, GaSe en InSe)13,14 en IVA-VIA (GeS GeSe en SnS)15,16,17 gezinnen hebben ook onlangs ontvangen aandacht.
SnSe behoort tot de IVA-VIA groep en kristalliseert in een orthorhombisch structuur, met de atomen gerangschikt in de pnma ruimtegroep en kromgetrokken binnen de laag, zoals de kristalstructuur van phosphorene. SnSe is een smalle kloof halfgeleider met een band gap van 0.6 eV, maar is meer bekend om haar meer unieke Thermo-elektrische eigenschappen, zoals het is naar verluidt hebben een zeer hoge ZT (Thermo-elektrische figuur van verdienste) waarde van 2.6 op 923 K18,19 , die wordt toegeschreven aan de unieke elektronische structuur en een lage thermische geleidbaarheid. Terwijl de bulk SnSe kristallen commercieel beschikbaar zijn en kunnen worden gekweekt door bekende methoden, zoals de methode Bridgeman-Stockbarger20 of de chemische damp transportmethode formaat21, groot paar-laag en enkellaags SnSe op diëlektrische verwarming substraten is moeilijker. Er zijn vele verschillende ondergronden, ter ondersteuning van 2D materiaal groei, zoals zeer georiënteerde pyrolytische grafiet (HOPG), mica, SiO2, Si3N4en glas. Goedkope SiO2 diëlektrica zijn de meest gebruikte substraat, aangezien deze zorgen ervoor dat de fabricage van veld – effect transistors, waar de diëlektrica dienen als onderdeel van de elektrische terug poort. In onze ervaring, in tegenstelling tot grafeen en TMDs, het is moeilijk te verkrijgen van enkele-laag of enkellaags SnSe vlokken door de micromechanische afschilfering methode, zoals bulk SnSe heeft een hoge interlayer bindingsenergie22 van 32 meV / Å2, wat tot dik leidt lagen, zelfs langs de randen van de afgebladderde vlokken. Daarom, om de nieuwe elektronische eigenschappen van enkele laag en enkellaags SnSe te bestuderen, een nieuwe, eenvoudige en goedkope synthetische methode ter voorbereiding van hoge kwaliteit groot formaat enkellaags SnSe kristallen op de isolerende substraten is vereist, vooral omdat SnSe heeft aangetoond grote belofte als een kandidaat voor de Thermo-elektrische toepassingen voor energieomzetting in de lage en matige temperatuur bereik19.
Verschillende onderzoekers hebben methodes om te synthetiseren van hoge kwaliteit SnSe kristallen ontwikkeld. Liu et al. 23 en Franzman et al. 24 een oplossing-fase-methode gebruikt voor het synthetiseren van SnSe nanokristallen verschillende vormen, zoals quantumdots, nanoplates, enkele kristallijn nanosheets, nanoflowers en nanopolyhedra met behulp van SnCl2 en alkyl-Fosfine-selenium of dialkyl diselenium als voorlopers. Baumgardner et al. 25 colloïdaal SnSe nanodeeltjes gesynthetiseerd door het injecteren van bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II) in de hete trioctylphosphine, en zij verkregen nanokristallen voor ~ 4-10 nm in diameter. Boscher et al. 26 gebruikt een atmosferische druk chemical vapor deposition techniek voor het verkrijgen van SnSe films op glazen substraten met behulp van tin stegen en diethyl selenide precursoren met een tin Tetra-ratio groter dan diethyl selenide, en hun gesynthetiseerde 10 SnSe films waren ongeveer 100 nm dik en zilver-zwart in verschijning. Zhao et al. 27 gebruikt damp vervoer afzetting in een laag vacuüm systeem en gesynthetiseerd single-crystal SnSe nanoplates op mica substraten en verkregen vierkante nanoplates van 1-6 µm. Verkrijgen van enkellaags SnSe zijn kristallen echter niet mogelijk met behulp van deze technieken. Li et al. 28 gesynthetiseerd met succes enkellaags single-crystal SnSe nanosheets met een een-pot synthetische methode SnCl4 en SeO2 precursoren. Ze waren echter alleen kunnen verkrijgen van een laterale grootte van ongeveer 300 nm voor hun nanosheets. We hebben onlangs onze methode om te groeien van hoge kwaliteit, grote en middelgrote enkellaags SnSe kristallen die fase pure29zijn gepubliceerd. Dit gedetailleerde protocol is bedoeld om te helpen nieuwe beoefenaars om te groeien van andere grote kwalitatief hoogwaardige uiterst dunne 2D materialen met gebruikmaking van deze methodiek.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier is de combinatie van een damp transportmethode afzetting en een stikstof ETS techniek in een atmosferische druk systeem eerst gemeld. In dit protocol zijn de kritische stappen de sectie van de fabricage van enkellaags SnSe vlokken.
Hoewel de laboratoriummonsters kunnen worden geëtst tot een kwalitatief hoogwaardige enkellaags monster, de dikte van de laboratoriummonsters moet uniform zijn en de temperatuur van de ontleding van de laboratoriummonsters moet hoger dan de temperatuur van de …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door de 1.000 talenten programma voor jonge wetenschappers van China, nationale Natural Science Foundation van China (Grant nr. 51472164), de A * STAR Pharos-programma (Grant nr. 152 70 00014), en ondersteuning van het NUS Center for Advanced 2D faciliteit Materialen.
Materials
| SnSe powder | Sigma-Aldrich | 1315-06-6 | (99.999%) toxic, carcinogenic |
| Ar gas | explosive | ||
| H2 gas | flammable, explosive | ||
| SiO2/Si wafer | 300 nm thick SiO2 on heavily doped Si | ||
| Acetone | Sigma-Aldrich | 67-64-1 | toxic, flammable |
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | 67-63-0 | flammable |
| Quartz tube | Dongjing Quartz Company, China | ||
| Ceramic boat | Dongjing Quartz Company, China | ||
| Optical microscope | Olympus, BX51 | ||
| Atomic force microscopy | Bruker | Using FastScan-A probe type and ScanAsyst-air | |
| Scanning electron microscopy | JEOL JSM-6700F | ||
| transmission electron microscopy | FEI Titan | ||
| Tube furnace | MTI Corporation |
Riferimenti
- Geim, A. K., Novoselo, K. S. The Rise of Graphene. Nature Mater. 6, 183-191 (2007).
- Chhowalla, M., Shin, H. S., Eda, G., Li, L. -. J., Loh, K. P., Zhang, H. The Chemistry of Two-Dimensional Layered Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets. Nat. Chem. 5, 263-275 (2013).
- Zhang, W., Wang, Q., Chen, Y., Wang, Z., Wee, A. T. S. Van der Waals Stacked 2D Layered Materials for Optoelectronics. 2D Mater. 3 (1-17), 02200 (2016).
- Li, M. -. Y., et al. Epitaxial Growth of a Monolayer WSe2-MoS2 Lateral p-n Junction with an Atomically Sharp Interface. Science. 349, 524-528 (2015).
- Wang, H., Yuan, H., Hong, S. S., Li, Y., Cui, Y. Physical and Chemical Tuning of Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides. Chem. Soc. Rev. 44, 2664-2680 (2015).
- Wang, Q. H., Kalantar-Zadeh, K., Kis, A., Coleman, J. N., Strano, M. S. Electronics and Optoelectronics of Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides. Nat.Nanotechnol. 7, 699-712 (2012).
- Kim, K. S., et al. Large-Scale Pattern Growth of Graphene Films for Stretchable Transparent Electrodes. Nature. 457, 706-710 (2009).
- Shalom, M., Gimenez, S., Schipper, F., Herraiz-Cardona, I., Bisquert, J., Antonietti, M. Controlled Carbon Nitride Growth on Surfaces for Hydrogen Evolution Electrodes. Angew. Chem. 126, 3728-3732 (2014).
- Liu, J., et al. Metal-Free Efficient Photocatalyst for Stable Visible Water Splitting via a Two-Electron Pathway. Science. 347, 970-974 (2015).
- Jiang, J., Zou, J., Wee, A. T. S., Zhang, W. Use of Single-Layer g-C3N4/Ag Hybrids for Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Sci.Rep. 6 (1-10), 34599 (2016).
- Jiang, J., Zhu, L., Zou, J., Ou-yang, L., Zheng, A., Tang, H. Micro/Nano-Structured Graphitic Carbon Nitride-Ag Nanoparticle Hybrids as Surface-Enhanced Raman Scattering Substrates with Much Improved Long-Term Stability. Carbon. 87, 193-205 (2015).
- Jariwala, D., Marks, T. J., Hersam, M. C. Mixed-dmensional van der Waals Heterostructures. Nature Mater. 16, 170-181 (2017).
- Late, D. J., et al. GaS and GaSe Ultrathin Layer Transistors. Adv. Mater. 24, 3549-3554 (2012).
- Klein, A., Lang, O., Schlaf, R., Pettenkofer, C., Jaegermann, W. Electronically Decoupled Films of InSe Prepared by van der Waals Epitaxy: Localized and Delocalized Valence States. Phys. Rev. Lett. 80, 361-364 (1998).
- Gomes, L. C., Carvalho, A. Phosphorene Analogues: Isoelectronic Two-Dimensional Group-IV Monochalcogenides with Orthorhombic Structure. Phys. Rev. B. 92 (1-8), 085406 (2015).
- Xue, D., Tan, J., Hu, J., Hu, W., Guo, Y., Wan, L. Anisotropic Photoresponse Properties of Single Micrometer-Sized GeSe Nanosheet. Adv. Mater. 24, 4528-4533 (2012).
- Antunez, P. D., Buckley, J. J., Brutchey, R. L. Tin and Germanium Monochalcogenide IV-VI Semiconductor Nanocrystals for Use in Solar Cells. Nanoscale. 3, 2399-2411 (2011).
- Zhao, L. D., et al. Ultralow Thermal Conductivity and High Thermoelectric Figure of Merit in SnSe Crystals. Nature. 508, 373-377 (2014).
- Zhao, L. D., et al. Ultrahigh Power Factor and Thermoelectric Performance in Hole-Doped Single-Crystal SnSe. Science. 351, 141-144 (2016).
- Bhatt, V. P., Gireesan, K., Pandya, G. R. Growth and Characterization of SnSe and SnSe2 Single Crystals. J. Cryst. Growth. 96, 649-651 (1989).
- Yu, J. G., Yue, A. S., Stafsudd, O. M. Growth and Electronic Properties of the SnSe Semiconductor. J. Cryst. Growth. 54, 248-252 (1981).
- Zhang, L., et al. Tinselenidene: a Two-dimensional Auxetic Material with Ultralow Lattice Thermal Conductivity and Ultrahigh Hole Mobility. Sci. Rep. 6 (1-9), (2016).
- Liu, X., Li, Y., Zhou, B., Wang, X., Cartwright, A. N., Swihart, M. T. Shape-Controlled Synthesis of SnE (E=S, Se) Semiconductor Nanocrystals for Optoelectronics. Chem. Mater. 26, 3515-3521 (2014).
- Franzman, M. A., Schlenker, C. W., Thompson, M. E., Brutchey, R. L. Solution-Phase Synthesis of SnSe Nanocrystals for Use in Solar Cells. J. Am. Chem. Soc. 132, 4060-4061 (2010).
- Baumgardner, W. J., Choi, J. J., Lim, Y. -. F., Hanrath, T. SnSe Nanocrystals: Synthesis, Structure, Optical Properties, and Surface Chemistry. J. Am. Chem. Soc. 132, 9519-9521 (2010).
- Boscher, N. D., Carmalt, C. J., Palgrave, R. G., Parkin, I. P. Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition of SnSe and SnSe 2 Thin Films on Glass. Thin Solid Films. 516, 4750-4757 (2008).
- Zhao, S., et al. Controlled Synthesis of Single-Crystal SnSe Nanoplates. Nano Res. 8, 288-295 (2015).
- Li, L., et al. Single-Layer Single-Crystalline SnSe Nanosheets. J. Am. Chem. Soc. 135, 1213-1216 (2013).
- Jiang, J., et al. Two-Step Fabrication of Single-Layer Rectangular SnSe Flakes. 2D Mater. 4 (1-9), 021026 (2017).
