Atmosphärendruck-Herstellung von großformatigen Einzellagen-rechteckige SnSe Flocken
Summary
Ein Protokoll wird demonstriert eine zweistufige Fertigung Technik um großformatige Einzellagen wachsen rechteckig geformte SnSe auf kostengünstige SiO2/Si Dielektrika Wafer in einer atmosphärischen Druck Quarz Ofen Schlauchsystem Flocken vorgestellt.
Abstract
Metallisches Zinn (SnSe) gehört zur Familie der geschichteten Metall Chalkogenid-Materialien mit einer Schnalle Struktur wie Phosphorene und hat Potenzial für Anwendungen im zweidimensionalen Nanoelektronik Geräte gezeigt. Obwohl viele Methoden, um SnSe Nanokristalle synthetisieren entwickelt worden sind, bleibt eine einfache Möglichkeit, groß dimensionierten einlagige SnSe Flocken fabrizieren eine große Herausforderung. Hier zeigen wir die experimentelle Methode direkt groß dimensionierten Einzellagen wachsen rechteckige SnSe am häufigsten verwendeten SiO2/Si isolierenden Substraten Methode eine einfache zweistufige Fertigung in einem Quarzrohr Atmosphärendruck Flocken Ofenanlage. Die Einzellagen-rechteckige SnSe Flocken mit einer durchschnittlichen Dicke von ~6.8 Å und seitlichen Abmessungen von ca. 30 µm × 50 µm wurden durch eine Kombination von Vapor Deposition Fördertechnik und Stickstoff Radierung Route hergestellt. Wir gekennzeichnet, die Morphologie, Mikrostruktur und elektrischen Eigenschaften der rechteckigen SnSe Flakes und ausgezeichnete Kristallinität und gute elektronische Eigenschaften erhalten. Dieser Artikel über die zweistufige Herstellungsverfahren kann Forscher andere ähnlichen zweidimensionale, groß dimensionierten, einschichtige Materialien mit einem Luftdruck-System wachsen helfen.
Introduction
Forschung in zwei dimensionale (2D) Materialien hat in den letzten Jahren seit der erfolgreichen Isolation von Graphen, wegen der Möglichkeit der 2D Materialien mit hervorragenden elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften über ihre Masse Pendants1 blühte. , 2 , 3 , 4 , 5. 2D Materialien zeigen vielversprechende Anwendungen in optoelektronischen und elektronische Geräte6,7, Katalyse und Wasserspaltung8,9, Oberfläche-enhanced Raman Streuung Fernerkundung 10,11, etc. die große Familie der geschichteten Materialien, die in 2D Materialien geblähter können zeigen große Vielfalt, von der semi-metallische Graphen bis hin zu den halbleitenden Übergangsmetall Dichalcogenides (TMDs ) und Phosphor (BP) zu isolierenden hexagonalen Bornitrid (h-BN) schwarz. Diese Materialien ihre Heterostrukturen haben in den letzten Jahren gut untersucht worden und haben viele neue Eigenschaften und Anwendungen12ausgestellt. Andere weniger studiert, aber ebenso vielversprechende 2D geschichteten Materialien in der IIIA-VIA (GaS, GaSe und InSe)13,14 , IVA-VIA (GeS, GeSe und SnS)15,16,17 Familien haben auch zuletzt empfangenen Aufmerksamkeit.
SnSe gehört zu der IVA-VIA Gruppe und kristallisiert sich in eine orthorhombic Struktur mit den Atomen in der Raumgruppe Pnma angeordnet und schnallte innerhalb der Schicht, wie die Kristallstruktur des Phosphorene. SnSe ist eine schmale Lücke Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,6 eV, aber ist mehr bekannt für seine einzigartigen thermoelektrischen Eigenschaften, wie es ist berichtet, dass einen sehr hohen ZT (thermoelektrische Abbildung des Verdienstes) Wert von 2,6 bei 923 K18,19 , die hat seine einzigartige elektronische Struktur und geringe thermische Leitfähigkeit zugeschrieben worden. Während Bulk SnSe Kristalle sind im Handel erhältlich und können nach bekannten Methoden angebaut werden, wie z. B. die Bridgeman-Stockbarger Methode20 oder chemischen Dampf Transportmethode Größe21, groß paar-Layer und einschichtige SnSe auf Dielektrikum Substrate ist schwieriger. Es gibt viele Substrate, 2D materielles Wachstum, wie hochorientierte pyrolytischen Graphit (HOPG), Glimmer, SiO2, Si3N4und Glas zu unterstützen. Low-Cost SiO2 Dielektrika sind die am häufigsten verwendeten Substrat, wie diese ermöglichen die Herstellung von – Feldeffekt-Transistoren, wo die Dielektrika als Teil des elektrischen hinteren Tores dienen. Nach unserer Erfahrung, im Gegensatz zu Graphen und TMDs, es ist schwierig, paar- oder Single-Schicht SnSe Flocken von der mikromechanischen Peeling-Methode zu erhalten, als Schüttgut SnSe hat eine hohe Bindungsenergie22 32 MeV Füllharz / Å2, führt zu dick Schichten, auch an den Rändern der abgestoßene Partikel. Daher um die neuartigen elektronischen Eigenschaften der paar und einzelne Schicht SnSe zu studieren, ist eine neue, einfache und kostengünstige synthetische Methode, um qualitativ hochwertige großformatige einlagige SnSe Kristalle auf isolierenden Substraten vorbereiten erforderlich, zumal SnSe hat große Versprechen als Kandidat für thermoelektrische Anwendungen für die Energieumwandlung im niedrigen und mittleren Temperatur Bereich19gezeigt.
Mehrere Forscher entwickelten Methoden, um qualitativ hochwertige SnSe Kristalle zu synthetisieren. Liu Et al. 23 und Franzman Et al. 24 verwendet eine Lösungsphase Methode, um SnSe Nanokristallen in verschiedenen Formen, wie Quantenpunkte, Nanoplates, einzelne kristalline Nanosheets, Nanoflowers und Nanopolyhedra mit SnCl2 und Alkyl-Phosphin-Selen oder Dialkylcarbonat synthetisieren Diselenium als Vorläufer. Baumgardner Et al. 25 kolloidalen SnSe Nanopartikel durch Injektion von bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II) in heißen Trioctylphosphine synthetisiert, und sie erhalten Nanokristalle ~ 4-10 Nm im Durchmesser. Boscher Et al. 26 verwendet eine Atmosphärendruck chemical Vapor Deposition Technik SnSe Filme auf Glassubstraten mit Zinn Titantetrachlorid und Diethyl metallisches Vorstufen mit Zinn Titantetrachlorid Verhältnis 10 größer als Diethyl metallisches und ihre synthetisierte zu erhalten SnSe Filme waren ungefähr 100 nm dick und Silber-Schwarz in Erscheinung. Zhao Et al. 27 verwendet Dampf Transport Ablagerung in einem niedrigen Vakuumsystem und synthetisiert Einkristall SnSe Nanoplates auf Glimmer Substraten und quadratischen Nanoplates von 1 bis 6 µm erzielt. Sind jedoch erhalten einlagigen SnSe Kristalle nicht möglich mit diesen Techniken. Li Et al. 28 synthetisiert erfolgreich Einzellagen-Einkristall SnSe Nanosheets mit einer synthetischen ein-Topf-Methode mit SnCl4 und SeO2 Vorläufer. Sie konnten jedoch nur um eine seitliche Größe von etwa 300 nm für ihre Nanosheets. Wir haben vor kurzem unsere Methode, um qualitativ hochwertige, großformatige einlagige SnSe Kristalle wachsen die Phase reine29sind. Dieses ausführliche Protokoll soll helfen, neue Praktiker zu anderen großen ultradünnen 2D Qualitätsmaterialien mit dieser Methodik zu wachsen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier ist die Kombination aus einer Dampf-Transport-Abscheidungsverfahren und ein Stickstoff Radierung Technik in einem atmosphärischen Druck-System erstmals gemeldet. In diesem Protokoll sind die entscheidenden Schritte im Abschnitt der Herstellung von einschichtigen SnSe Flocken.
Obwohl die Mischproben geätzt werden können, um eine qualitativ hochwertige Einscheiben-Stichprobe zu bilden, die Dicke der Mischproben sollte einheitlich sein und die Zersetzungstemperatur von Mischproben sollte …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung wurde unterstützt durch die 1.000 Talente-Programm für junge Wissenschaftler der China National Natural Science Foundation of China (Grant Nr. 51472164), die A * STAR-Pharos-Programm (Grant Nr. 152 70 00014), und Einrichtung von NUS Center for Advanced 2D unterstützen Materialien.
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 |
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