الضغط الجوي تصنيع رقائق سنسي مستطيلة طبقة واحدة كبيرة الحجم
Summary
ويرد بروتوكول مما يدل على تقنية تصنيع خطوتين للنمو كبيرة الحجم طبقة واحدة رقائق سنسي على شكل مستطيل على التكلفة المنخفضة SiO2/Si العوازل رقائق في نظام فرن أنبوب كوارتز ضغط الجوي.
Abstract
سيلينيد قصدير (سنسي) ينتمي إلى الأسرة مواد الطبقات المعدنية تشالكوجينيدي مع بنية المحطم مثل فوسفوريني، وقد أظهرت المحتملة للتطبيقات في أجهزة النانو ثنائي الأبعاد. طريقة بسيطة لصنع رقائق سنسي طبقة واحدة كبيرة الحجم على الرغم من أن تم تطوير العديد من الأساليب توليف نانوكريستالس سنسي، يظل تحديا كبيرا. وهنا، نعرض الأسلوب التجريبي لتنمو مباشرة كبيرة الحجم طبقة واحدة رقائق مستطيلة سنسي على استخداماً SiO2/Si العزل ركائز استخدام أسلوب تصنيع خطوتين مباشرة في أنبوب كوارتز ضغط الجوي نظام الفرن. رقائق سنسي مستطيلة طبقة واحدة مع متوسط سمك ~6.8 Å وكانت ملفقة الأبعاد الجانبية لحوالي 30 ميكرون × 50 ميكرون بمزيج من بخار النقل تقنية الترسيب والنيتروجين النقش بالطريق. تتميز مورفولوجيا والمجهرية، والخصائص الكهربائية من رقائق سنسي مستطيلة، والحصول على خصائص إلكترونية جيدة وممتازة كريستالينيتي. يمكن أن تساعد هذه المقالة حول أسلوب تصنيع خطوتين الباحثين تنمو مواد ثنائي الأبعاد، كبيرة الحجم، طبقة واحدة مماثلة أخرى باستخدام نظام ضغط الجوي.
Introduction
وقد أزهر البحث إلى اثنين من الأبعاد (2D) المواد في السنوات الأخيرة منذ عزل ناجحة من الجرافين، نظراً لإمكانية 2D مواد لها خصائص الكهربائية والبصرية والميكانيكية متفوقة على على نظيراتها الأكبر1 , 2 , 3 , 4 , 5-إظهار المواد 2D تطبيقات واعدة في البصرية الإلكترونية والأجهزة الإلكترونية6،7والحفز وتقسيم8،9، رامان المزودة بسطح الماء نثر الاستشعار عن 10،11، إلخ أسرة كبيرة من طبقات من المواد التي يمكن أن سينظف في 2D مواد إظهار التنوع الكبير، بدءاً من الجرافين معدنية شبه ديتشالكوجينيديس المعادن الانتقالية انتشارية (TMDs ) والأسود الفوسفور (BP) إلى نتريد البورون سداسية العازلة (ح-الجبهة الوطنية). هذه المواد وعلى هيتيروستروكتوريس وقد درست جيدا في السنوات الأخيرة، وأظهرت العديد من خصائص وتطبيقات رواية12. أخرى درس أقل، ولكن المثل واعدة في 2D الطبقات مواد في IIIA-عبر13،(الغاز والقائمة والتربوية)14 وايفا-عبر (غيس وجيسي و SnS)15،وقد أسر17 16، كما تلقي مؤخرا الاهتمام.
سنسي ينتمي إلى إيفا-عبر المجموعة ويبلور في بنية orthorhombic، مع الذرات مرتبة في مجموعة إدارة الفضاء والتوى داخل الطبقة، مثل هيكل كريستال فوسفوريني. سنسي أشباه الموصلات ضيق فجوة مع وجود فجوة فرقة من 0.6 eV، ولكن هو أكثر من المعروف جيدا لخصائصه الحرارية أكثر فريدة من نوعها، حيث أنها أبلغت إلى قيمة عالية جداً (شكل حرارية الجدارة) ZT من 2.6 في 923 ك18،19 ، الذي يعزى إلى بنية إلكترونية فريدة من نوعها وناقليه حرارية منخفضة. بينما معظم سنسي بلورات متوفرة تجارياً ويمكن زراعتها بالطرق المعروفة، مثل أسلوب ستوكبارجير بريدجمان20 أو أسلوب النقل بخار الكيميائية21، تزايد كبير الحجم سنسي قليل-طبقة وطبقة واحدة على عازل ركائز أكثر صعوبة. وهناك العديد من ركائز لدعم نمو المواد ثنائية الأبعاد، مثل الجرافيت حرارية عالية الموجه (هوبج)، والميكا، SiO2، سي3ن4والزجاج. منخفضة التكلفة SiO2 العوازل الأكثر استخداماً الركازة، كما تسمح هذه تلفيق الميدان – تأثير الترانزستور، حيث يعمل العوازل كجزء من البوابة الخلفية الكهربائية. في تجربتنا، على عكس الجرافين و TMDs، من الصعب الحصول على قليل من طبقة أو طبقة واحدة من رقائق سنسي بطريقة تقشير ذبابة، كما معظم سنسي عالية المدى الطاقة ملزمة22 من 32 مليون إلكترون فولط/2، الأمر الذي يؤدي إلى سميكة طبقات، بل على طول حواف رقائق اكسفولياتيد. ولذلك، لدراسة الخصائص الإلكترونية رواية قليل من طبقة وطبقة واحدة سنسي، جديدة وبسيطة، ومنخفضة التكلفة اصطناعية بإعداد كبيرة الحجم عالية الجودة طبقة واحدة بلورات سنسي على تحصين ركائز مطلوب أسلوب، لا سيما منذ سنسي أظهرت الوعد العظيم كمرشح للتطبيقات الحرارية لتحويل الطاقة في نطاق درجات الحرارة منخفضة ومتوسطة19.
قد طور الباحثون عدة طرق لتجميع بلورات سنسي عالية الجودة. ليو et al. 23 وفرانزمان et al. 24 استخدمت طريقة حل-مرحلة توليف نانوكريستالس سنسي من الأشكال المختلفة، مثل النقاط الكم، نانوبلاتيس، نانوشيتس بلوري واحد، نانوفلوويرس، ونانوبوليهيدرا باستخدام سنكل2 والكيل-الفوسفين-السيلنيوم أو ديالكيل ديسيلينيوم السلائف. باومجاردنير et al. 25 توليفها جسيمات نانوية سنسي الغروية عن طريق حقن bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II) في تريوكتيلفوسفيني الساخنة، وأنها حصلت على نانوكريستالس ~ 4-10 نيوتن متر في القطر. بشير et al. 26 تستخدم أسلوب ترسيب الكيميائي بخار ضغط الجوي للحصول على الأفلام سنسي على ركائز الزجاج استخدام السلائف سيلينيد إثيل وكلوريد القصدير مع نسبة كلوريد قصدير 10 أكبر من سيلينيد إثيل، وتلك المركبة وكانت الأفلام سنسي حوالي 100 نانومتر سميكة والفضي-الأسود في المظهر. جاو et al. 27 يستخدم بخار ترسب النقل في نظام فراغ منخفضة وتوليفها واحد-كريستال سنسي نانوبلاتيس على ركائز ميكا وحصل على نانوبلاتيس مربعة من 1-6 ميكرون. ومع ذلك، الحصول على طبقة واحدة سنسي بلورات ليست ممكنة باستخدام هذه التقنيات. لي et al. 28 توليفها بنجاح طبقة واحدة واحدة-كريستال سنسي نانوشيتس باستخدام أسلوب اصطناعية وعاء واحد مع سنكل4 والسلائف2 كبار المسئولين الاقتصاديين. بيد أنهم فقط قادرة على الحصول على حجم أفقي لحوالي 300 نانومتر لما نانوشيتس. ونحن قد نشرت مؤخرا لدينا طريقة تنمو عالية الجودة وكبيرة الحجم طبقة واحدة سنسي البلورات التي هي محض المرحلة29. هذا البروتوكول مفصلاً يهدف إلى مساعدة الممارسين جديدة النمو كبيرة الحجم عالية الجودة سامسونج 2D المواد الأخرى باستخدام هذه المنهجية.
Protocol
Representative Results
Discussion
هنا، والجمع بين طريقة ترسب بخار نقل ونيتروجين النقش تقنية في نظام ضغط الجوي يقال أولاً. في هذا البروتوكول، وهي الخطوات الحاسمة المقطع لتصنيع رقائق سنسي طبقة واحدة.
على الرغم من أن يمكن محفوراً العينات المجمعة لتشكيل نموذج طبقة واحدة عالية الجودة، سمك العينات المجمعة التي ي…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا البحث كان يدعمها “البرنامج مواهب” 1,000 للعلماء الشباب من الصين، ومؤسسة العلوم الطبيعية الصينية الوطنية (المنحة رقم 51472164)، A * “برنامج فاروس” ستار (منحة رقم 152 70 00014)، ومرفق دعم من مركز NUS 2D المتطورة المواد.
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).
