Exfoliación y análisis del grande-área, materiales bidimensionales sensibles al aire

Este protocolo demuestra métodos para exfoliar escamas delgadas grandes de materiales bidimensionales sensibles al aire. Y transportándolos de forma segura para su análisis fuera de una guantera. Trabajando dentro de una guantera, prepare una longitud de cinta de unos cinco a 10 centímetros de largo, y al menos dos centímetros de ancho.

Colóquelo en el lado pegajoso en el área de trabajo. Dobla los extremos para que sea más fácil de manejar. Usando pinzas, deposite el material deseado aproximadamente 1/4 del camino hasta la longitud de la cinta.

Presionándolo repetidamente en la cinta. Distribuya aún más el material doblando la cinta por la mitad, pegándola a sí misma y desmontándola. Para que el material cubra un área de al menos un centímetro cuadrado.

Comience con un sustrato cortado en virutas cuadradas de menos de un centímetro en un lado. Con la cinta preparada, presione firmemente el material depositado sobre el sustrato. Aplique presión firme con el pulgar o presione suavemente con pinzas.

Así que el material entra en contacto con el chip tanto como sea posible. Coloque la cinta y el sustrato con el lado del sustrato hacia abajo en una placa caliente a 120 grados Celsius durante dos minutos. Deje que el sustrato se enfríe.

A continuación, retírelo cuidadosamente de la cinta. La exfoliación caliente dejará más residuos de cinta que la exfoliación a temperatura ambiente. Pero la mayor parte del residuo se puede eliminar remojando en acetona durante 20 minutos.

Seguido de 30 segundos en alcohol isopropílico. La celda de transferencia está hecha de una tapa de metal y una base. Tiene 30 milímetros de ancho, y cuando está cerrado es sólo 17,6 milímetros de altura.

La base tiene una plataforma de muestra elevada que se enoda en la tapa. Esta ranura cortada en las roscas es un respiradero que evita que la ventana de la celda se rompa cuando la tapa está atornillada. Tenga en cuenta que, donde la tapa se encuentra con la base, hay un recuadro para una junta tórica.

Y la tapa está empotrada para acomodar una ventana de vidrio de cubierta delgada. Un sello hermético está hecho por un Anillo T-Viton sentado en la base de la célula. Aplique una pequeña cantidad de grasa al vacío en todos los lados de la junta tórica.

Y déjalo en su lugar. Antes de fijar la ventana a la tapa de la célula, limpie la tapa en acetona y alcohol isopropílico para eliminar cualquier aceite o escombros dejados por el proceso de mecanizado. La ventana ahora se puede adjuntar a la tapa de la celda usando epoxi.

Mezclar a fondo el epoxi de acuerdo con las especificaciones del fabricante. En este caso, las partes A y B se combinan en una proporción de uno a 1,8 en peso. Aplique una pequeña cantidad de epoxi en el área empotrada de la tapa y extiéndala lo más uniformemente posible.

Suelte cuidadosamente la ventana de vidrio en el hueco y presione suavemente en el epoxi. Asegúrese de que la ventana esté nivelada con la parte superior de la tapa y de que no haya burbujas en el epoxi. Por último, limpie cualquier epoxi adicional, para que nada sobresalga de la superficie de la tapa.

Deje que el epoxi se cure durante el tiempo prescrito por el fabricante a temperatura ambiente. Utilizando el método deseado, coloque una muestra preparada en la base de la celda. Antes de cerrar la celda, la presión en la guantera debe estar menos de tres milibar por encima de la presión ambiental.

De lo contrario, el vidrio se romperá cuando se retire de la guantera. Atornille firmemente la tapa a la base hasta que la tapa y la base se encuentren. Compruebe que la muestra se encuentra justo debajo de la ventana.

La muestra ahora se puede retirar de forma segura de la guantera para su análisis. Para arreglar una ventana rota, póngase gafas de seguridad y guantes de nitrilo, y retire cualquier vidrio roto que no esté firmemente fijado al epoxi. Rompe lo que queda el vidrio, de modo que el epoxi debajo quede expuesto.

Trabajando en una campana de humo, remoje la tapa en una mezcla 50/50 de acetona y tricloroetileno durante una o dos horas. Hasta que el epoxi se ablanda y comienza a separarse de la tapa. Retire la tapa de la acetona, la mezcla de tricloroetileno y enjuague con alcohol isopropílico.

Pelar cualquier epoxi suelto y raspar el epoxi restante de la superficie con una cuchilla de afeitar. Tenga cuidado de no dañar la superficie de la tapa. Repita el paso anterior si es necesario.

Frote el área empotrada con acetona hasta que la superficie esté limpia de cualquier residuo epoxi. La ventana de celda ahora se puede reemplazar siguiendo los pasos antes mencionados. La célula se puede colocar bajo un microscopio para identificar escamas.

Al enfocar, tenga cuidado de no estrellar el objetivo en la ventana comenzando por encima del punto focal y moviendo la etapa hacia abajo. El material exfoliado se puede ver claramente a las cinco, 20 y 50 veces el aumento. Permite una fácil identificación de escamas delgadas.

Con aumentos más altos, la aberración esférica causada por la ventana degrada significativamente la calidad de la imagen. Usando nuestra célula de transferencia, también es posible realizar diferentes tipos de mediciones ópticas de materiales bidimensionales sensibles al aire. Como ejemplo final, determinamos la orientación cristalina de una muestra de fósforo negro utilizando la espectroscopia Raman resuelta por polarización.

Para la espectroscopia Raman resuelta por polarización, alinee un punto láser con una escama de interés. En este caso utilizamos 633 nanómetros de longitud de onda, y 50 microvatios de potencia. Y una lente objetivo de ampliación 100 veces.

Para el fósforo negro, se requiere baja potencia láser para evitar daños en la escama. Los Espectros Raman se registran en función del ángulo de polarización. Que es variado usando una placa de media onda.

El objetivo de la exfoliación caliente es producir muchas escamas grandes. Aumentando así la probabilidad de encontrar escamas muy delgadas. Para comparar, los paneles A y B muestran exfoliaciones típicas de fósforo negro a temperatura ambiente y a 120 grados centígrados.

Está inmediatamente claro que la cobertura de escamas en el panel B es muchas veces la del panel A.Panel C muestra el área total de material exfoliado en seis chips de silicio de un centímetro cuadrado diferentes, tanto para la temperatura ambiente como para la exfoliación caliente. La exfoliación caliente da como resultado de seis a diez veces la cantidad de material que se deposita en el chip. Usando nuestra célula de transferencia, la vida útil de los materiales bidimensionales sensibles al aire puede ser muy extendida.

Las muestras que se degradarían en cuestión de minutos en el aire pueden durar varias horas. Por ejemplo, los paneles A a C demuestran que el triídido de cromo almacenado fuera de la guantera en la celda de transferencia no comienza a mostrar signos visibles de degradación durante un máximo de 15 horas. El Panel D demuestra que este material extremadamente sensible al aire hidrata en cuestión de segundos, cuando se expone a la atmósfera ambiental.

Finalmente, usamos la Espectroscopia Raman para determinar la orientación cristalina de una escama de fósforo negro preservada dentro de una célula de transferencia. Con el punto láser alineado con la gruesa escama de fósforo negro en el centro del panel A, Raman Spectra se miden como una función de polarización láser de cero a 360 grados. Como se muestra en el panel B.Tres picos típicos de fósforo negro se observan en aproximadamente 361, 438 y 466 números de onda.

Vemos que las intensidades máximas se modulan fuertemente con ángulo de polarización. El panel C muestra la intensidad integrada del pico A2G frente al ángulo de polarización. Lo que muestra un máximo de 26,5 grados.

Debido a que este modo corresponde a vibraciones en el plano a lo largo del borde del sillón de fósforo negro, es más intenso para la polarización paralela a la dirección del sillón. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que la dirección del sillón de esta escama está orientada a 26,5 grados con respecto a la imagen en panel A.As en comparación con la exfoliación a temperatura ambiente, la exfoliación caliente produce cantidades más altas de escamas grandes. Al preservar la atmósfera inerte de una guantera, nuestra célula de transferencia hermética permite aislar y caracterizar ópticamente las escamas delgadas de materiales bidimensionales sensibles al aire, sin necesidad de que el equipo analítico se hosque dentro de la guantera.