לחץ אטמוספירי ייצור של פתיתי בשכבה יחידה מדוד גדול מלבני SnSe
Summary
פרוטוקול מוצג הפגינו טכניקה ייצור שני שלבים לגדול גדול בגודל בשכבה יחידה SnSe בצורת מלבנית פתיתי בעלות נמוכה SiO2/Si דיאלקטרים ופלים בכל מערכת תנור קוורץ לחץ אטמוספירי שפופרת.
Abstract
פח selenide (SnSe) שייך למשפחת בשכבות chalcogenide מתכת חומרים בעלי מבנה סגורה, כמו phosphorene, הראו פוטנציאל יישומי במכשירים nanoelectronics דו-ממדית. למרות פותחו שיטות רבות לסנתז SnSe nanocrystals, דרך פשוטה ליצור פתיתים SnSe בשכבה יחידה גדולה בגודל נשאר אתגר גדול. במסמך זה, אנו מציגים את השיטה הניסיונית לגדול ישירות מדוד גדול בשכבה יחידה SnSe מלבני פתיתי-נפוץ /Si2SiO בידוד סובסטרטים באמצעות שיטת ייצור שני שלבים פשוטים בצינור קוורץ לחץ אטמוספרי מערכת חימום. SnSe מלבני שכבה אחת פתיתי בעובי ממוצע של ~6.8 Å, מידות לרוחב של-30 מיקרומטר × 50 מיקרומטר היו מפוברק על ידי שילוב של אדי תחבורה התצהיר טכניקה ונתיב איכול חנקן. אנחנו שאפיינה את המורפולוגיה מיקרו, תכונות חשמליות של שבבי SnSe מלבני וקיבלתי crystallinity מעולה ומאפיינים אלקטרונית טובה. המאמר על שיטת ייצור שני שלבים יכול לעזור לחוקרים לגדול חומרים דו מימדי, המדד, שכבה אחת דומים אחרים באמצעות מערכת הלחץ האטמוספרי.
Introduction
מחקר שני החומרים מימד (2D) יש פרחו בשנים האחרונות מאז הבידוד מוצלח של גראפן, בשל האפשרות של חומרים 2D שיש מאפיינים חשמלית, אופטי, מכני מעולה על עמיתיהם שלהם צובר1 , 2 , 3 , 4 , 5. חומרי 2D מראים יישומים מבטיחים בתוך מעגל של מכשירים אלקטרוניים6,7, זרז ומים פיצול8,9, ראמאן משופרת השטח פיזור חישה 10,11, וכו ‘ המשפחה גדול של חומרים שכבתית אשר יכול להיות exfoliated לתוך חומרים דו-ממדיים להראות מגוון רחב, החל הגרפן מתכתי למחצה dichalcogenides מתכות מעבר מוליכים למחצה (TMDs ) שחור זרחן (BP) ניטריד בורון משושה בידוד (h-בסון). חומרים אלה שלהם heterostructures נחקרו היטב בשנים האחרונות ואני הצגתי לראווה רבות הרומן למאפיינים ויישומים12. השני פחות למד, אבל באותה מידה מבטיחים דו-ממדי שכבתית בחומרים IIIA-דרך13,(גז, GaSe, וחרקים)14 ו- IVA-דרך (GeS, GeSe ו SnS)15,יש משפחות17 16, גם קיבל לאחרונה תשומת לב.
SnSe שייך IVA-דרך קבוצה והיא מתגבשת במבנה האורתורומבית, עם האטומים מסודרים קבוצת מרחב pnma , קרסו בתוך שכבת, כמו מבנה הגביש של phosphorene. SnSe הוא הפער צר מוליך למחצה עם פער הלהקה של 0.6 eV, אבל יותר נודע בזכות תכונותיו תרמואלקטרי ייחודי יותר, כפי שהוא דווח כי ערך (תרמואלקטרי דמותו של הצטיינות) ZT גבוהה מאוד של 2.6-923 K18,19 , אשר יוחסה אלקטרונית המבנה הייחודי שלה, מוליכות חום נמוכה. בזמן לרשימות תפוצה SnSe קריסטלים הינם זמינים מסחרית, ניתן לגדל על ידי שיטות ידועות, כגון שיטת Bridgeman-Stockbarger20 או שיטת תחבורה אדים כימיים21, גדל גדול בגודל SnSe כמה שכבות, שכבה אחת על חומר דיאלקטרי סובסטרטים הוא יותר מאתגרת. ישנם מצעים רבים כדי לתמוך 2D גידול, כגון גרפיט פירוליטי אוריינטציה גבוהה (HOPG), נציץ, SiO2,3N סי4זכוכית. דיאלקטרים2 SiO נמוכים הם הכי נפוץ המצע, כמו אלה מאפשרים הזיוף שדה – אפקט טרנזיסטורים, איפה דיאלקטרים לשמש חלק השער האחורי חשמל. מניסיוננו, בניגוד גרפן, TMDs, זה קשה להשיג פתיתי SnSe כמה שכבות או שכבה אחת על ידי שיטת קילוף עור micromechanical, כמו בצובר SnSe יש גבוה interlayer מחייב אנרגיה22 מתוך תהליך 32 /2, מה שמוביל עבה שכבות, אפילו לאורך קצות שבבי exfoliated. לכן, ללמוד את תכונות אלקטרוניות הרומן של מספר שכבות, שכבה אחת SnSe, שיטה חדשה פשוטה, בעלות נמוכה סינתטי להכין באיכות גבוהה מדוד גדול בשכבה יחידה SnSe קריסטלים על בידוד סובסטרטים נדרשת, במיוחד מאז SnSe יש הראו הבטחה גדולה כמועמד עבור יישומים תרמואלקטרי המרת אנרגיה טווח טמפרטורה נמוכה, בינונית19.
מספר חוקרים פיתחו שיטות לסנתז גבישים SnSe באיכות גבוהה. ליו. et al. 23 ו. Franzman et al. 24 נהגה שיטת פתרון שלב לסנתז nanocrystals SnSe של צורות שונות, כגון נקודות קוונטיות, nanoplates, nanosheets גבישי יחיד, nanoflowers, nanopolyhedra באמצעות SnCl2 ואלקיל-פוספין-סלניום או dialkyl diselenium כמו סימנים מקדימים. . Baumgardner et al. 25 מסונתז colloidal חלקיקי SnSe על ידי הזרקת bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II) לתוך trioctylphosphine חם, השיגו nanocrystals של ~ 4-10 ננומטר בקוטר. . Boscher et al. 26 נוצל טכניקה בתצהיר אדים כימיים לחץ אטמוספירי להשגת SnSe סרטים על מצעים זכוכית באמצעות מבשרי selenide בדיל של tetrachloride ו- diethyl עם יחס tetrachloride פח 10 גדול יותר diethyl selenide, מסונתז שלהם SnSe הסרטים היו בערך 100 ננומטר שחור-כסף מראה ועבה. זאו. et al. 27 בשימוש אדי התצהיר תחבורה בתוך מערכת ואקום נמוך, מסונתז יחיד-קריסטל nanoplates SnSe על מצעים נציץ וקיבלתי nanoplates מרובע של 1-6 מיקרומטר. עם זאת, קבלת SnSe בשכבה יחידה קריסטלים אינן אפשריות באמצעות טכניקות אלה. Li. et al. 28 מסונתז בהצלחה בשכבה יחידה בודדת-קריסטל SnSe nanosheets באמצעות שיטה סינתטית סיר אחד עם SnCl4 ו- SeO2 סימנים מקדימים. עם זאת, הם הצליחו רק להשיג גודל לרוחב של 300 ננומטר על nanosheets שלהם. לאחרונה פרסמנו את השיטה שלנו לגדול באיכות גבוהה, מדוד גדול בשכבה יחידה SnSe קריסטלים אשר טהור שלב29. פרוטוקול מפורט זה נועד לעזור למתרגלים חדשים לצמוח מדוד גדול איכותי ודק במיוחד 2D חומרים אחרים באמצעות מתודולוגיה זו.
Protocol
Representative Results
Discussion
כאן, השילוב של שיטה בתצהיר אדים התחבורה של חנקן תצריב הטכניקה בכל מערכת לחץ אטמוספירי הוא דיווח קודם. פרוטוקול זה, הן לשלבים הקריטיים המקטע של הזיוף של פתיתי SnSe בשכבה יחידה.
אמנם יכול להיות חרוט הדגימות בצובר כדי ליצור מדגם שכבה אחת באיכות גבוהה, העובי של הדגימות בצובר צריך ל…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי התוכנית כשרונות 1,000 מדענים צעירים של סין, הלאומי מדעי הטבע קרן של סין (מענק מס 51472164), ה-A * כוכב תוכנית פארוס (מענק מס 152 70 00014), מתקן תמיכה של המרכז NUS 2D מתקדם חומרים.
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 |
Referências
- 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).
