Atmosfærisk tryk fabrikation af store lag rektangulære SnSe flager
Summary
En protokol er præsenteret, viser en to-trins fabrikation teknik til at vokse store enkeltlags-rektangulære formet SnSe flager på lavpris-SiO2/Si dielectrics vafler i en atmosfærisk tryk kvarts rør ovn system.
Abstract
Tin selenide (SnSe) hører til familien af lagdelt metal chalcogenide materialer med en buckled struktur som phosphorene, og har vist potentiale for programmer i to-dimensionelle nanoelektronik enheder. Selv om mange metoder til at syntetisere SnSe nanokrystaller er blevet udviklet, er en enkel måde at fremstille store lag SnSe flager fortsat en stor udfordring. Heri, viser vi den eksperimentelle metode til direkte vokse store enkeltlags-rektangulære SnSe flager på almindeligt anvendte SiO2/Si isolerende underlag ved hjælp af en simpel totrins fabrikationsanlæg metode i en atmosfærisk tryk kvarts rør ovn-system. Enkeltlags rektangulære SnSe flager med en gennemsnitlig tykkelse på ~6.8 Å og tværgående dimensioner på ca. 30 µm × 50 µm blev fremstillet af en kombination af damp transport deposition teknik og kvælstof ætsning rute. Vi kendetegnet morfologi, mikrostruktur og elektriske egenskaber af den rektangulære SnSe flager og opnået fremragende crystallinity og gode elektroniske egenskaber. Denne artikel om to-trins fabrikationsanlæg metode kan hjælpe forskerne med at vokse andre lignende todimensional, store, enkeltlags materialer ved hjælp af en atmosfærisk tryksystem.
Introduction
Forskning i to-dimensionelle (2D) materialer har blomstrede i de seneste år siden vellykket isolering af graphene, på grund af muligheden for 2D materialer har overlegen elektriske, optiske og mekaniske egenskaber over deres bulk modparter1 , 2 , 3 , 4 , 5. 2D materialer viser lovende applikationer i optoelektroniske og elektroniske enheder6,7, katalyse og vand opdeling8,9, overflade-forstærket Raman spredning sensing 10,11, etc. den store familie af lagdelt materiale, som kan være afstødes i 2D materialer vise stor mangfoldighed, lige fra den semi-metallisk graphene til halvledende overgang-metal dichalcogenides (TMDs ) og sort fosfor (BP) at den isolerende sekskantede bornitrid (h-BN). Disse materialer og deres heterostructures er blevet godt undersøgt i de seneste år, og har udstillet mange ny egenskaber og anvendelser12. Andre mindre undersøgt, men lige så lovende 2D lag materialer i IIIA-VIA (GaS, GaSe og Indsæt)13,14 og IVA-VIA (GeS, GeSe og SnS)15,16,17 familier har også for nylig modtaget opmærksomhed.
SnSe tilhører IVA-VIA gruppe og udkrystalliserer i en struktur, der ændres med atomer arrangeret i gruppen pnma plads og spændt inden for lag, som krystalstruktur af phosphorene. SnSe er en smal kløft halvleder med et band hul på 0,6 eV, men er mere kendt for dens mere unikt termoelektrisk egenskaber, som det er rapporteret at have en meget høj ZT (termoelektrisk figur af fortjeneste) værdien af 2.6 på 923 K18,19 , som er tilskrevet sin unikke elektroniske struktur og lav varmeledningsevne. Mens bulk SnSe krystaller findes i handelen og kan dyrkes af kendte metoder, såsom Bridgeman-Stockbarger metode20 eller kemiske dampe transportmåde mellemstore21, vokser store par-lag og lag SnSe på dielektriske substrater er mere udfordrende. Der er mange substrater til støtte for 2D materiel vækst, som stærkt orienteret pyrolyse grafit (HOPG), glimmer, SiO2, Si3N4og glas. Lavpris-SiO2 dielectrics er mest almindeligt anvendte substrat, som disse giver mulighed for fabrikation af felt – effekten transistorer, hvor dielectrics tjene som en del af den elektriske tilbage gate. Vores erfaring, i modsætning til graphene og TMDs, det er vanskeligt at opnå par-lag eller enkeltlags SnSe flager af metoden micromechanical eksfoliering som bulk SnSe har en høj interlayer bindende energi22 32 MeV / Å2, hvilket fører til tykke lag, selv langs kanterne af ekspanderet flager. Derfor, for at studere de roman elektroniske egenskaber af par lag og enkelt lag SnSe, en ny, enkel og billig syntetisk metode at forberede høj kvalitet store lag SnSe krystaller på isolerende underlag er nødvendig, især fordi SnSe har vist lovende som en kandidat til termoelektrisk ansøgninger om Energikonvertering i lav og moderat temperatur interval19.
Flere forskere har udviklet metoder til at syntetisere høj kvalitet SnSe krystaller. Liu et al. 23 og Franzman et al. 24 brugt en løsning-fase metode til at syntetisere SnSe nanokrystaller forskellige figurer, såsom quantum dots, nanoplates, enkelt krystallinske nanosheets, nanoflowers og nanopolyhedra ved hjælp af SnCl2 og alkyl-phosphine-selen eller dialkyl diselenium som forløbere. Baumgardner et al. 25 syntetiseret kolloid SnSe nanopartikler ved at indsprøjte bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II) i varm trioctylphosphine, og de opnåede nanokrystaller ~ 4-10 nm i diameter. Boscher et al. 26 anvendes en atmosfærisk tryk kemiske dampe deposition teknik til at opnå SnSe film på glas substrater med tin titantetrachlorid og diethyletheren selenide prækursorer med en tin titantetrachlorid forholdet 10 større end diethyletheren selenide, og deres syntetiserede SnSe film var omkring 100 nm tykke og sølv-sort udseende. Zhao et al. 27 brugte dampe transport deposition i en lav vakuum system og syntetiseret single-krystal SnSe nanoplates på glimmer substrater og fået firkantede nanoplates af 1-6 µm. At opnå enkeltlags SnSe er krystaller dog ikke muligt ved hjælp af disse teknikker. Li et al. 28 syntetiseret med succes enkeltlags single-krystal SnSe nanosheets med et en-pot syntetiske metode med SnCl4 og SeO2 prækursorer. De kunne dog kun få en lateral størrelse på omkring 300 nm for deres nanosheets. Vi har for nylig offentliggjort vores metode til at vokse høj kvalitet, store enkelt-lags SnSe krystaller, som er fase ren29. Denne detaljerede protokollen er beregnet til at hjælpe nye praktiserende læger til at vokse andre store ultratynde 2D materialer af høj kvalitet ved hjælp af denne metode.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kombinationen af en damp deposition transportmåde og nitrogen ætsning teknik i en atmosfærisk tryksystem forlyder her, først. I denne protokol er de kritiske trin del af fabrikation af lag SnSe flager.
Selvom hovedparten prøver kan blive ætset for at danne en høj kvalitet lag prøve, tykkelsen af bulk prøver skal være ensartet og nedbrydning temperatur af bulk prøver skal være højere end ætsning temperatur. Den resulterende prøve har en lav dækning tæthed, på grund af de flest…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskning blev støttet af 1.000 talenter programmet for unge forskere i Kina, National Natural Science Foundation of China (Grant nr. 51472164), A * STAR Pharos program (Grant nr. 152 70 00014), og støtte fra NUS Center for Avanceret 2D-facilitet Materialer.
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).
