En metode for peeling store tynn flak av luft sensitive todimensjonal materialer og transportere dem trygt for analyse utenfor en glovebox er presentert.
Vi beskriver metoder for produksjon og analysere store, tynne flak av luft-sensitive todimensjonal materialer. Tynn flak av lagdelt eller van der Waals krystaller er produsert med mekanisk peeling, der lagene er skrelles av en bulk krystall bruke teip. Denne metoden gir høy kvalitet flak, men de er ofte lite og kan være vanskelig å finne, spesielt for materialer med relativt høy cleavage energi som svart fosfor. Oppvarming underlaget og tape, todimensjonal materiale vedheft til underlaget er forfremmet og flake avkastningen kan økes med inntil en faktor av ti. Etter peeling, er det nødvendig å bilde eller ellers analysere disse flak men noen todimensjonale materialer er følsomme for oksygen eller vann og vil forringe når utsatt luft. Vi har utviklet og testet hermetiske overføring cellen for å midlertidig opprettholde inert miljøet av en glovebox slik at luft-sensitive flak kan avbildes og analyseres med minimal degradering. Det kompakte designet for overføring cellen er slik at optiske analyse av sensitivt materiale kan utføres utenfor en glovebox uten spesialisert utstyr eller endringer i eksisterende utstyr.
Ulike lag materialer som kan bli skrubbet til en enkelt Atom lag har generert interesse over et bredt spekter av felt. Men er etterforskning og anvendelse av mange av disse materialene komplisert av det faktum at de er ustabile i luften og raskt oksidere eller hydrat utsettes. For eksempel; svart fosfor er en halvleder tunable direkte band gap, stor mobilitet og Anisotrop optisk og elektriske egenskaper1,2,3,4,5 , men er ustabile i luft og vil svekkes i mindre enn en time6,7 på grunn av interaksjon med oksygen8. CrI3 har vist nylig viser todimensjonal ferromagnetism9,10,11 men når utsatt for luft, det forringer nesten umiddelbart11.
Enheter av disse materialene kan beskyttes fra luften ved å innkapsle dem i en kjemisk inert materiale som Sekskantet boron nitride12,13og arbeide i en glovebox. Men når utvikle disse enhetene, er det ofte nødvendig å identifisere og analysere flak før innkapsling. Denne analysen krever enten fjerne prøven fra inert omgivelsene av en glovebox eller sette analyse utstyret i glovebox’en. Fjerne prøven, selv for en kort tid, skade risiko via oksidasjon eller hydrering, mens plassere nødvendig utstyr i en glovebox kan være dyrt og tungvint. For å bøte på dette, utviklet vi en hermetiske overføring celle som trygt omslutter en prøve, holder den i en inert miljø, slik at den kan fjernes fra en glovebox. Mens i cellen overføring sitter et utvalg 0.3 mm under et glassvindu som tillater enkel identifisering av flak under et mikroskop samt bruk av optisk analyseteknikker som photoluminescence eller Raman spektroskopi.
Noen todimensjonale materialer, i tillegg til å være følsom, er også vanskelig å eksfoliere i tynne flak med metoden typisk mekanisk peeling fordi en relativt høy cleavage energi, relativt svake i flyet obligasjoner eller begge. Andre metoder, som CVD vekst14,15, flytende-peeling16eller gull mediert peeling17,18 er utviklet for å produsere tynne lag men kan resultere i mindre enn perfekt flak og fungere bare for visse materialer. Selv om peeling av Grafén ved høye temperaturer er kjent for å produsere store flak for minst et tiår19, har denne teknikken vært kvantitativt preget nylig for både Grafén og Bi2Sr2CaCu2 Ox flak20. Her viser vi at hot peeling forbedrer peeling avkastning for svarte fosfor, et materiale som er vanskelige å eksfoliere. Denne teknikken, en hermetiske overføring-cellen, forenkler peeling og analyse av luft følsom, todimensjonal materialer.
Hot peeling beholder evnen til typisk mekanisk peeling å produsere uberørte tynn flak og også unngå mange downfalls alternativer. Som typisk mekanisk peeling er denne teknikken ikke begrenset til en undergruppe av materialer. Hot peeling kan brukes på materiale som kan bli skrubbet med romtemperatur mekanisk peeling som materiale tåler varme til 120 ° C i 2 minutter i en inert atmosfære. Vi også oppmerksom på at det har vist20 at oppvarming tid og temperatur (over 100 ° C) ikke gjør noen merkbar forskjell i flake tetthet. Sammen med økt kontakt, kan gjennomsnittlig flake størrelse også forbedres ved å øke bindestyrke mellom underlaget og flak. Én måte å gjøre dette ville være ved å behandle underlaget med O2 plasma men dette ville også gjøre flak vanskelig eller umulig å plukke opp for bruk i enheter som krever heterostructure fabrikasjon20.
Overføre cellen kan konstrueres fra egnet metall. Vi brukte aluminium fordi det er lett å maskin, men det bør bemerkes at TCE (brukes til å fjerne epoxy) er skadelig for aluminium unstabilized, oppvarmet eller blandet med vann. Rustfritt stål ville være mer robust og mindre reaktiv med TCE. Men har vi ikke sett noen etsende effekter ved hjelp av denne metoden på RT. Bildebehandling og analyse med høy numeriske blenderåpning mål er byggingen av overføring cellen slik at når lukket, bunnen av vinduet er 0,8 mm over toppen av basen. Med 0,5 mm tykk substrat og 0,1 mm tykt lim sitter prøven 0.3 mm under toppen av overføring cellen. Denne nærheten gir bildebehandling og analyse med forstørring og relativt kort arbeider avstand mål. Skrubbet materiale kan tydelig ses på 5, 20, 50 timene forstørrelsen tillater enkel identifisering av tynne flak. Ved høyere forstørrelser, sfærisk avvik forårsaket av vinduet vesentlig forringer bildekvaliteten. Forutsatt at prøven underlaget er mindre enn 0,7 mm tykk, er det ingen risiko for over innstramming cellen. Når hetten er skrudd ned, er overflødig gass utvist gjennom lufthull i trådene. Under konstruksjon, den nøyaktige plasseringen av ventilen er ikke viktig, men det er viktig at det ikke er hindret av prøven, vakuum fett eller noe annet. Ventilen hindrer vinduet skjøre 0,1 mm tykk i å bryte grunn av overtrykk når hetten er skrudd ned. Vinduet kan bare tåle trykkendringer av noen mbar.
Vinduet coverglass brukt for overføring cellene er laget av Borosilikatglass men for optisk analyse på bølgelengder enn synlig for nær infrarød, andre vindu materialer kan brukes. For beste avbilding, må utvises forsiktighet når du installerer glasset vinduet. Hvis ikke plassert riktig, være avstanden mellom samplingsfrekvens og vinduet større enn forventet. Spesielt for små arbeider avstand mål, kan dette føre formål å krasje inn og ødelegge vinduet. Også noen epoksy vil kurere raskere ved høyere temperaturer, men fordi metall og glass har forskjellige termisk ekspansjon koeffisienter, enken vil deformeres etter avkjøling tilbake til romtemperatur. Epoxy bør bli kurert ved samme temperatur som brukes (dvs. Hvis cellen vil bli brukt ved romtemperatur), epoxy bør også bli kurert ved romtemperatur.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av NSF prisen DMR-1610126.
Ablestik 286 epoxy | Loctite | 256 6 OZ TUBE KIT | air-tight epoxy |
Acetone | EDM Millipore Corporation | 67-64-1 | |
Circular coverglass, 24 mm dia, 0 thickness | Agar Scientific | AGL46R22-0 | window glass |
Dicing tape | Ultron systems | 1009R | exfoliation tape |
High-Vacuum grease | Dow Corning | 1597418 | O-ring grease |
Isopropanol | VWR Chemicals | BDH20880.400 | |
Silicon wafer, 300 nm oxide | University Wafer | E0851.01 | flake substrate |
Silicon wafer, 90 nm oxide | Nova Electronic Materials | HS39626-OX | flake substrate |