Tek katmanlı dikdörtgen SnSe büyük ölçekli pul imalatı atmosfer basıncı
Summary
Bir iletişim kuralı büyük boyutlu tek bir atmosfer basıncı quartz tüp ocağı sisteminde düşük maliyetli SiO2/sı Dielektrik gofret üzerinde dikdörtgen şekilli SnSe pul kat büyümek için bir iki aşamalı imalat tekniği gösteren sunulur.
Abstract
Teneke selenit (SnSe) phosphorene gibi bükülmüş bir yapı ile katmanlı metal chalcogenide malzemelerin ailesine ait olduğu ve iki boyutlu nanoelektronik aygıt içinde uygulamalar için potansiyel göstermiştir. Her ne kadar SnSe nanocrystals sentezlemek için pek çok yöntem geliştirdik, tek katmanlı SnSe pul büyüklüğünde imal etmek basit bir şekilde büyük bir mücadele kalır. Burada, biz doğrudan büyük boyutlu tek bir atmosfer basıncı kuvars tüpünde basit iki aşamalı imalat yöntemiyle yüzeylerde yalıtım sık kullanılan SiO2/sı üzerinde dikdörtgen SnSe pul kat büyümeye deneysel yöntem gösteriyor fırın sistemi. Tek katmanlı dikdörtgen SnSe ~6.8 Å bir ortalama kalınlık ile pul ve yanal boyutları yaklaşık 30 µm × 50 µm buharı taşıma ifade tekniği ve azot gravür rota a kombinasyonu tarafından fabrikasyon. Morfoloji, mikroyapı ve dikdörtgen SnSe pul elektriksel özellikleri ile karakterize ve mükemmel crystallinity ve iyi elektronik özellikleri elde etmek. İki aşamalı imalat yöntemi ile ilgili bu madde bir atmosferik basınç sistemi kullanarak diğer iki boyutlu, büyük ölçekli, tek katmanlı malzeme benzer büyümek araştırmacılar yardımcı olabilir.
Introduction
İki boyutlu (2D) malzeme içine araştırma grafen, 2D malzemeler üzerinde onların toplu karşılıkları1 üstün elektrik, optik ve mekanik özelliklere sahip olma olasılığı nedeniyle başarılı yalıtım beri son yıllarda bloomed , 2 , 3 , 4 , 5. opto-elektronik ve elektronik cihazlar6,7, kataliz ve8,9, Raman yüzey Gelişmiş bölme su 2D malzemeler göstermektedir umut verici uygulamalar saçılma algılama 10,11, vb 2D Malzeme Into Bakımı katmanlı malzemelerin büyük bir aile göstermek büyük çeşitlilik, yarı metalik Grafin yarıiletken Geçiş metalleri dichalcogenides (TMDs değişen ) ve siyah fosfor (BP) yalıtım altıgen bor nitrit (h-BN) için. Bu malzeme ve onların heterostructures de son yıllarda okudu ve birçok yeni özellikleri ve uygulamaları12sergiledik. Diğer daha az okudu ama aynı derecede 2D umut verici katmanlı IIIa malzemelerinde-VIA (gaz, GaSe ve b)13,14 ve IVA-(GeS, GeSe ve SnS)15VIA,16,17 aileleri var. Ayrıca son zamanlarda alınan dikkat.
SnSe ait olduğu için IVA-grubu aracılığıyla ve pnma alan grubunda düzenlenmiş ve phosphorene kristal yapısı gibi katman içinde bükülmüş atomları ile bir Ortorombik yapısında billurlaşır. SnSe dar boşluk yarı iletken bir grup boşluk 0.6 ev ile olmakla birlikte, daha iyi bilinen onun daha fazla benzersiz termoelektrik özellikleri olduğu gibi 923 K18,19 , 2.6, çok yüksek bir ZT (termoelektrik hak rakam) değere sahip olarak bildirilmektedir , hangi atfedilen benzersiz elektronik yapısını ve düşük ısı iletkenlik için. Kristalleri ticari olarak kullanılabilir ve bilinen yöntemler tarafından yetiştirilen SnSe toplu Deal-Stockbarger yöntemi20 veya kimyasal buharı taşıma yöntemi gibi büyük büyüyen21, az katlı ve tek katmanlı SnSe Dielektrik üzerinde boy daha zor yüzeylerde var. Çok odaklı pirolitik grafit (HOPG), Mika, SiO2, Si3N4ve cam gibi 2D malzeme büyümeyi desteklemek üzere çok sayıda yüzeylerde vardır. Bu alan – etkisi transistörler, imalatı nerede Dielektrik elektrik arka kapıyı bir parçası olarak hizmet sağlar düşük maliyetli SiO2 Dielektrik en sık substrat, kullanılan şunlardır. Toplu SnSe bağlama enerji22 32 meV’interlayer yüksek olduğu gibi bizim deneyim, aksine grafen ve TMDs, bu kaç katmanlı ya da tek katmanlı SnSe pul micromechanical pul pul dökülme yöntemiyle elde etmek zordur / kalın için açan2, Å katmanlar, pullu pul kenarları boyunca bile. Özellikle SnSe bu yana bu nedenle, birkaç katman ve tek katmanlı SnSe roman elektronik özelliklerini incelemek için yüzeylerde yalıtım üzerinde yüksek kaliteli büyük ölçekli tek katmanlı SnSe kristalleri hazırlamak için yeni, basit ve düşük maliyetli sentetik bir yöntemi gereklidir termoelektrik enerji dönüşümü düşük ve orta sıcaklık aralığı19başvurularda adayı olarak gösterilen büyük söz.
Çeşitli araştırmacılar yüksek kaliteli SnSe kristalleri sentezlemek için yöntemler geliştirdik. Liu vd. 23 ve Franzman vd. 24 SnSe nanocrystals kuantum nokta, nanoplates, tek kristal nanosheets, nanoflowers ve SnCl2 ve alkil-fosfamin-selenyum veya dialkyl kullanarak nanopolyhedra gibi farklı şekiller sentezlemek için bir çözüm fazlı metodu öncüleri olarak diselenium. Baumgardner vd. sıcak trioctylphosphine bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II) enjekte edilerek 25 kolloidal SnSe nano tanecikleri sentez ve nanocrystals ~ 4-10 nm çapında elde ettiler. Boscher vd. 26 SnSe Filmler cam yüzeylerde bir teneke tetraklorür oranı 10 Dietil selenit onların sentezlenmiş büyük ve teneke tetraklorür ve Dietil selenit öncüleri kullanarak elde etmek için bir atmosfer basıncı kimyasal Buhar biriktirme tekniği kullanılan SnSe filmler vardı yaklaşık 100 nm kalın ve Gümüş-Siyah görünüşte. Zhao vd. 27 kullanılan taşıma ifade bir düşük vakum sistemi Buhar ve tek-kristal SnSe nanoplates Mika yüzeyler üzerinde sentezlenmiş ve 1-6 µm kare nanoplates elde. Ancak, tek katmanlı SnSe alma kristalleri bu teknikleri kullanarak mümkün değildir. Li vd. 28 tek katmanlı tek-kristal SnSe nanosheets SnCl4 ve SeO2 Kara filmin tarih öncesi bir one-pot sentetik yöntemi kullanarak başarılı bir şekilde sentezledim. Ancak, onlar sadece bir yanal boyutu yaklaşık 300 almak başardık nm onların nanosheets için. Biz son zamanlarda bizim yöntem yüksek kalite, faz saf29olan büyük ölçekli tek katmanlı SnSe kristalleri büyümek için yayımlanmıştır. Bu ayrıntılı iletişim kuralı yeni uygulayıcıları Bu metodoloji kullanarak diğer büyük-büyüklük yüksek-nitelik ultrathin 2D malzemeleri büyümeye yardımcı olmak içindir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, buharı taşıma biriktirme yöntemi ve bir azot tekniği bir atmosferik basınç sisteminde aşındırma ile birlikte ilk bildirilmektedir. Bu protokol için tek katmanlı SnSe pul imalatı bölümünü önemli adımlardır.
Her ne kadar bir yüksek kaliteli tek katmanlı örnek oluşturmak üzere toplu örnekleri kazınmış, toplu örnekleri kalınlığı tek tip olmalı ve toplu örnekleri ayrışma sıcaklığını gravür sıcaklık yüksek olmalıdır. Elde edilen örnek tamamen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma 1.000 yetenekleri programı tarafından desteklenen genç Çin bilim adamları, Ulusal Doğa Bilimleri Foundation of China (Grant No. 51472164), A * STAR Pharos programı (Grant No 152 70 00014) ve gelişmiş 2B için NUS Merkezi’nden Destek Merkezi Malzemeler.
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 |
References
- 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).
