常压法制备大面积单层矩形 SnSe 纳米片

在常压系统中，结合蒸气输运沉积技术和氮气刻蚀方法的合成工艺，其总体目标是展示在介电基底上制备高质量、大尺寸单层材料的过程。该方法为生长诸如硫化亚锡、硒化锗和碲化铟等单层材料尺寸的二维材料提供了通用结构。该技术的主要优势在于，可在低成本的二氧化硅/硅介电材料上，利用常压条件下的蒸气输运沉积技术和氮气刻蚀方法生长出大尺寸的单层薄片。

该技术的意义在于可拓展用于其他二维材料的制备，因为自限性氮刻蚀方法有助于在两种材料上形成单层结构。我最初产生该方法的想法，是在进行二硒化钨、硒化锡以及在氮气氛围下高产量生长时，发现氮气能够刻蚀这些材料。首先，将水平管式炉的目标温度设定为 560 摄氏度，运行一小时。

当温度接近 560 摄氏度时，按设置键持续两秒钟。当参数 HAL 弹出时，按设置键持续一秒钟进入下一个参数。继续按压设置键。

当“Cont”等于三时，将其设置为二。系统将启动自动调谐功能，以确定Int、Pro和LT的值，然后系统将进入三。当需要重新自动调谐时，将其设置为二。

将一个新的陶瓷舟置于一根新的直径为一英寸的石英管内。将该石英管放入水平管式炉中，炉内已放置一根新的直径为两英寸的石英管。确保所有管子的两端均牢固固定并得到充分支撑。

关闭炉盖，将管式炉在30分钟内加热至1000摄氏度。在管式炉于1000摄氏度下保持30分钟后，逐渐将管式炉从一端移动至另一端，以加热石英管的整个长度，从而清洁石英管壁和陶瓷舟。随后，关闭炉子，使管式炉自然冷却至室温。

当炉子冷却后，打开炉盖，取出陶瓷舟和直径为一英寸的石英管，这些可用于后续实验。使用金刚石刻划笔将二氧化硅硅片切割成1.5厘米×2厘米的样品，用作生长基底。将硅基底依次在丙酮、异丙醇和水中清洗。

然后用氮气吹干基底。将0.01克硒化锡粉末放入洁净的陶瓷舟中。将洁净的二氧化硅硅基底放入陶瓷舟中，使生长面朝向硒化锡粉末。

然后将陶瓷舟置于洁净的直径一英寸的石英管内。将该一英寸直径的石英管放入水平管式炉中，管式炉外部包含一根直径两英寸的石英管，并确保陶瓷舟位于管式炉加热区的上游位置。拧紧管子两端的法兰，并关闭通气阀，以密封直径两英寸的石英管。

现在打开连接至石英管的泵，将管内抽真空至约1×10⁻²毫巴的压力，以去除管内的空气和水分。接着打开载气阀门，使用气体流量计调节气体流速。向石英管中通入40 sccm的氩气和10 sccm的氢气，直至达到常压。

然后打开通气阀，使气体持续流入石英管中。关闭炉盖，并以每分钟35摄氏度的升温速率快速加热管式炉。当炉膛中心温度接近700摄氏度时，迅速移动管式炉，使硒化锡粉末位于炉膛中心位置，从而蒸发粉末并在二氧化硅/硅表面沉积出块状薄片。

经过15分钟的生长时间后，打开炉盖，使管式炉迅速冷却至室温。同时，将氩氢载气的流量调至最大，以帮助将未反应的气体和颗粒物排出管外。当生长过程完成后，可在二氧化硅硅基底表面获得块状的硒化锡薄片。

将原始块状样品正面朝上放置于一个新的、洁净的陶瓷舟中。将陶瓷舟放入一个新且洁净的直径为一英寸的石英管内。将该一英寸直径的石英管置于水平管式炉中，管式炉内含一根直径为两英寸的石英管，陶瓷舟应位于管式炉加热区的上游位置。

拧紧石英管两端的法兰，并关闭通气阀以密封直径为两英寸的石英管。随后，打开与石英管连接的泵，将管内抽真空至约1 × 10⁻² 毫巴的压力，以去除管内的空气和水分。然后关闭泵。

打开载气阀门，使用气体流量计控制气体流速。向石英管中通入 50 sccm 氮气，直至达到大气压。打开排气阀，使石英管内保持持续的气体流动。

接下来，关闭炉盖，并在20分钟内迅速将管式炉加热至700摄氏度。当炉膛中心温度接近700摄氏度时，迅速移动管式炉，使块体样品位于炉膛中心位置，并在700摄氏度下保持约5至20分钟，以完成刻蚀过程。随后，打开炉盖，使管式炉快速冷却至室温。

同时，加大氮气流量，以帮助将未反应的气体和颗粒物从管中排出。最后，观察在二氧化硅/硅基底表面获得的单层矩形硒化锡薄片。此处展示了块状和单层硒化锡薄片的光学显微镜图像。

这些薄片大致呈矩形，尺寸约为30乘以50微米，随机生长在二氧化硅硅基底上。块状锡硒化物薄片的原子力显微镜（AFM）图像显示其表面平坦，厚度为54.9纳米。超薄矩形薄片的厚度为6.8埃，接近单层锡硒化物的理论值。

通过扫描电镜观察到的块体及单层二硒化锡薄片的形状和尺寸与光学显微镜图像一致。EDX 谱显示块体样品中锡与硒的原子比为1:0.92。此处展示了转移后的二硒化锡碎片的透射电镜图像。

单层硒化锡碎片的选区电子衍射图呈现出正交对称的衍射图案，表明该样品具有单晶性质。转移后的硒化锡碎片的高分辨率透射电子显微镜图像显示出来自(0 -1 1)和(0 -1 -1)晶面的两组正交晶格条纹。晶格条纹之间的夹角约为86.5度，对应于正交晶系晶体结构。

一旦掌握，若操作得当，该技术可在约两个半小时内完成。在进行此操作时，需注意确保炉体迅速移动至确切的作业位置，并且刻蚀过程必须在氮气氛围下进行。通过遵循此步骤，还可制备其他材料，如硫化锡和硒化镓，以研究这些材料的独特性质。

该技术可为从事二维材料合成领域的研究人员探索单层材料在常压系统中的生长与刻蚀机制提供新的途径。观看本视频后，您应能够充分掌握如何通过常压条件下的蒸气输运沉积技术及后续的氮气刻蚀方法来制备单层材料。