私たちは、(光)エレクトロニクスに応用されている最も有望な新興2D材料の1つである黒リン(BP)のバルク結晶からの電気化学的剥離の手順と、走査型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡、および透過型電子顕微鏡による形態学的特性評価の段階的な手順を紹介します。
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この記事について
サマリー
要約
かさばる結晶から高品質の2次元(2D)材料を得るためには、外部制御刺激下での層間剥離が重要です。層状材料の電気化学的剥離には、簡単な装置が必要ですが、高品質の剥離された2D材料を高収率で提供し、簡単なアップスケーラビリティを備えています。そのため、基礎研究や産業応用を進めるためのキーテクノロジーとなっています。さらに、機能化された2D材料の溶液処理性により、インクジェット印刷や3D印刷などのさまざまな印刷技術 による (光)電子デバイスやエネルギーデバイスの製造が可能になります。この論文は、黒リン(BP)の合成のための電気化学的剥離プロトコルを提示します、最も有望な新興の2D材料の一つ、そのバルク結晶から段階的な方法で、すなわち、プロピレンカーボネート中のN(C4H9)4・HSO4 の存在下でのBPの陰極電気化学的剥離、超音波処理による分散調製、およびフレークの分離のためのその後の遠心分離、 走査型電子顕微鏡(SEM)、原子間力顕微鏡(AFM)、および透過型電子顕微鏡(TEM)による形態学的特性評価。
概要
2D材料は、層状バルクアナログと比較して機械的、電気的、光学的特性が優れているため、科学界で大きな注目を集めています。グラフェンは、数十年にわたってすべての2D材料の前身であり、最も研究されてきたため、膜1、センサー2、触媒3、エネルギー技術4、トポロジカルスピントロニクスデバイス5、物性物理学6などの最先端の発見で今でも脚光を浴びています。それに触発されて、金属カルコゲナイド7、層状二重水酸化物8、窒化ホウ素9など、他にも数多くの2次元材料が合成され、研究されてきました。2D材料ファミリーに新たに加わった2D材料(すなわち、ホスフォレン10)、MXenes(2次元金属炭化物または窒化物)11、および2Dポリマー(単層/数層の2D金属/共有結合有機構造体)12,13
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プロトコル
注意: このプロトコルで使用される材料と機器に関連する詳細については、 材料の表 を参照してください。
1. 電気化学的剥離による黒リン(BP)の合成
- BP結晶の大きな部分を1~2mm(≤5 mg)の小さな部分に切り刻み、プラチナガーゼの中に閉じ込めてカソードとして機能します。
- アノードとして機能する寸法が~2 cm2 のプラチナホイルをカットし、カソードに面し、カソードから2cm離れるように固定します。
- 電解質を調製するには、0.1 M テトラ-n-ブチル-アンモニウム (TBA·HSO4)プロピレンカーボネート中(無水および脱気溶媒を使用)。溶媒レベルが電極の上部から少なくとも5 mmに達するまで、電気化学セルを充填します(図1C)。
- -8.0VのDC電位を印加して、層間剥離を開始します。剥離中の劣化を防ぐため、全工程を不活性雰囲気下(例:グローブボックス内、アルゴンまたは窒素の下)で行ってください。
注:不活性ガスによる電解液の連続的なパージは必要ありません。 - 層間剥離が完了したら(目に見える膨張BPの発生が....
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結果
図1 は、BP結晶の電気化学的剥離、TBA·HSO4 とその後の層間剥離、および反応細胞のセットアップ。
図1:黒リン結晶の電気化学的剥離のメカニズムと反応セットアップの概略図。 (A)BP結晶の電気化学的剥離、(B)TBAのインターカレーションのメカニズム。HSO4 およびそれに続く層間剥離、および(C)反応セルのセットアップ。この図は、Yang et al.15から修正されています。.......
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ディスカッション
BPは、3s2 3p3の価数殻配置を有し、各リン原子は孤立電子対を有しており、これにより、リン原子は酸素、水、および光の存在下で急速な酸化分解に対して脆弱になる41。劣化を防ぐために、脱気および無水の溶媒と試薬を使用し、不活性雰囲気下で製造プロセスを実行することをお勧めします。
BP結晶の剥離中に、生成されたH+ の一部(式 1 および式 2)がBP界面で還元され、H2 気泡(式 3)が形成され、層間間隔が広がり、BP層内のTBA+ のより大きな陽イオンのインターカレーションが促進されます(図1B)。
未定·HSO4
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開示事項
著者は、利益相反を宣言しません。
謝辞
著者らは、T2DCP、M-ERA-NETプロジェクトHYSUCAP、Forschung für neue Mikroelektronik(ForMikro)プログラムの下でドイツ教育研究省(BMBF)が資金提供するSPES3プロジェクト、Graphene Flagship Core 3 881603、およびEmerging Printed Electronics Research Infrastructure(EMERGE)に対するERC Consolidator Grantに感謝します。EMERGEプロジェクトは、欧州連合(EU)のHorizon 2020研究・イノベーションプログラムから助成金契約第101008701号に基づき資金提供を受けています。著者らは、有益な議論と特性評価を提供してくれたMarkus Löffler博士に感謝するとともに、Center for Advancing Electronics Dresden(cfaed)およびDresden Center for Nanoanalysis(DCN)にも感謝します。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2-プロパノール | Sigma Aldrich | 278475 | 無水、99.5% |
| 原子間力顕微鏡 (AFM) | Bruker Multimode 8 system | ||
| Black Lynus | Smart Elements | 4504 | Black Phosphorus 5.0 g sealed under Argon in ampoule |
| 遠心分離機 | Sigma 4-16KS | ||
| 炭酸プロピレン | Sigma Aldrich | 310328 | 無水、99.7% |
| 走査型電子顕微鏡(SEM) | Zeiss Gemini 500 | ||
| Tetra-n-butylammonium hydrogen sulfate | Sigma Aldrich | 791784 無水、流動性、Redi-Dri、97% | |
| 透過型電子顕微鏡(TEM) | Zeiss Libra 120 kV |
参考文献
- Yang, Q., et al. Ultrathin graphene-based membrane with precise molecular sieving and ultrafast solvent permeation. Nature Materials. 16 (12), 1198-1202 (2017).
- Goossens, S., et al. Broadband image sensor array based on graphene-CM....
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