Przedstawiono protokół demonstrujący dwuetapową technikę wytwarzania dużych rozmiarów, jednowarstwowych, prostokątnych płatków SnSe na tanich płytkach dielektrycznych SiO2/Si w systemie pieca z rurkami kwarcowymi pod ciśnieniem atmosferycznym.
Method Article
Przedstawiono protokół demonstrujący dwuetapową technikę wytwarzania dużych rozmiarów, jednowarstwowych, prostokątnych płatków SnSe na tanich płytkach dielektrycznych SiO2/Si w systemie pieca z rurkami kwarcowymi pod ciśnieniem atmosferycznym.
selenek cyny (SnSe) należy do rodziny warstwowych materiałów chalkogenkowych o strukturze wygiętej, takiej jak fosforen, i wykazał potencjał do zastosowań w dwuwymiarowych urządzeniach nanoelektronicznych. Chociaż opracowano wiele metod syntezy nanokryształów SnSe, prosty sposób wytwarzania wielkogabarytowych jednowarstwowych płatków SnSe pozostaje dużym wyzwaniem. W tym miejscu pokazujemy eksperymentalną metodę bezpośredniego wzrostu wielkogabarytowych jednowarstwowych prostokątnych płatków SnSe na powszechnie stosowanych podłożach izolacyjnych SiO2 / Si przy użyciu prostej dwuetapowej metody wytwarzania w systemie pieca z rurkami kwarcowymi pod ciśnieniem atmosferycznym. Jednowarstwowe prostokątne płatki SnSe o średniej grubości ~6,8 A i wymiarach bocznych około 30 μm × 50 μm zostały wytworzone metodą kombinacji techniki osadzania z transportu par i procesu trawienia azotem. Scharakteryzowaliśmy morfologię, mikrostrukturę i właściwości elektryczne prostokątnych płatków SnSe i uzyskaliśmy doskonałą krystaliczność oraz dobre właściwości elektroniczne. Ten artykuł na temat dwuetapowej metody wytwarzania może pomóc naukowcom w wyhodowaniu innych podobnych dwuwymiarowych, wielkoformatowych, jednowarstwowych materiałów przy użyciu systemu ciśnienia atmosferycznego.
Badania nad materiałami dwuwymiarowymi (2D) rozkwitły w ostatnich latach od czasu udanego wyizolowania grafenu, ze względu na możliwość uzyskania przez materiały 2D lepszych właściwości elektrycznych, optycznych i mechanicznych niż ich masowe odpowiedniki1,2,3,4,5. Materiały 2D wykazują obiecujące zastosowania w urządzeniach optoelektronicznych i elektronicznych6,7, kataliza i rozszczepianie wody8,9, powierzchniowo wzmocnione wykrywanie rozpraszania Ramana10,11, itd. Duża rodzina materiałów warstwowych, które można złuszczać w materiały 2D, wykazuje dużą różnorodność, począwszy od półmetalicznego grafenu, przez półprzewodnikowe dichalkogenki metali przejściowych (TMD) i fosfor (BP), aż po izolacyjny sześciokątny azotek boru (h-BN). Materiały te i ich heterostruktury zostały dobrze przebadane w ostatnich latach i wykazały wiele nowych właściwości i zastosowań12. Inne mniej zbadane, ale równie obiecujące materiały warstwowe 2D w rodzinach IIIA-VIA (GaS, GaSe i InSe)13,14 i IVA-VIA (GeS, GeSe, and SnS)15,16,17 również zyskały ostatnio uwagę.
SnSe należy do grupy IVA-VIA i krystalizuje w strukturze rombowej, z atomami ułożonymi w grupie przestrzeni pnma i wygiętymi w warstwie, podobnie jak struktura krystaliczna fosforenu. SnSe jest półprzewodnikiem o wąskiej przerwie energetycznej 0,6 eV, ale jest bardziej znany ze swoich bardziej unikalnych właściwości termoelektrycznych, ponieważ podaje się, że ma bardzo wysoką wartość ZT (termoelektryczną figurę zasługi) wynoszącą 2,6 przy 923 K18,19, co przypisuje się jego unikalnej strukturze elektronicznej i niskiej przewodności cieplnej. Podczas gdy masowe kryształy SnSe są dostępne na rynku i mogą być hodowane znanymi metodami, takimi jak metoda Bridgemana-Stockbargera20 lub metoda transportu par chemicznych21, uprawa wielkogabarytowych kilkuwarstwowych i jednowarstwowych SnSe na podłożach dielektrycznych jest bardziej wymagająca. Istnieje wiele substratów wspomagających wzrost materiału 2D, takich jak wysoce zorientowany grafit pirolityczny (HOPG), mika, SiO2, Si3N4 i szkło. Najczęściej stosowanym podłożem są tanie dielektrykiSiO 2, ponieważ umożliwiają one wytwarzanie tranzystorów polowych, w których dielektryki służą jako część tylnej bramki elektrycznej. Z naszego doświadczenia wynika, że w przeciwieństwie do grafenu i TMD, trudno jest uzyskać kilkuwarstwowe lub jednowarstwowe płatki SnSe metodą eksfoliacji mikromechanicznej, ponieważ masowe SnSe ma wysoką energię wiązania międzywarstwowego22 32 meV/Å2, co prowadzi do grubych warstw, nawet wzdłuż krawędzi złuszczonych płatków. Dlatego, aby zbadać nowe właściwości elektroniczne kilkuwarstwowego i jednowarstwowego SnSe, potrzebna jest nowa, prosta i tania metoda syntezy do przygotowania wysokiej jakości wielkoformatowych jednowarstwowych kryształów SnSe na podłożach izolacyjnych, zwłaszcza że SnSe okazał się bardzo obiecujący jako kandydat do zastosowań termoelektrycznych do konwersji energii w niskim i umiarkowanym zakresie temperatur19.
Kilku badaczy opracowało metody syntezy wysokiej jakości kryształów SnSe. Liu i wsp.23 oraz Franzman et al.24 użył metody fazy roztworu do syntezy nanokryształów SnSe o różnych kształtach, takich jak kropki kwantowe, nanopłytki, monokrystaliczne nanoarkusze, nanokwiaty i nanowielościany przy użyciu SnCl2 i alkilo-fosfiny-selenu lub dialkilodiselenu jako prekursorów. Baumgardner i wsp.25 zsyntetyzowali koloidalne nanocząstki SnSe poprzez wstrzyknięcie bis[bis(trimetylosililo)amino]tyny(II) do gorącej trioktylofosfiny i uzyskali nanokryształy o średnicy ~4-10 nm. Boscher i wsp.26 użył techniki chemicznego osadzania z fazy gazowej pod ciśnieniem atmosferycznym, aby uzyskać warstwy SnSe na podłożach szklanych przy użyciu prekursorów tetrachlorku cyny i selenku dietylu o stosunku tetrachlorku cyny 10 większym niż selenek dietylu, a ich zsyntetyzowane warstwy SnSe miały grubość około 100 nm i srebrzysto-wygląd. Zhao i wsp.27 wykorzystał osadzanie transportu par w systemie niskiej próżni i zsyntetyzował monokryształowe nanopłytki SnSe na podłożach mikowych i uzyskał kwadratowe nanopłytki o wielkości 1-6 μm. Jednak uzyskanie jednowarstwowych kryształów SnSe nie jest możliwe przy użyciu tych technik. Li i wsp.28 z powodzeniem zsyntetyzował jednowarstwowe monokryształowe nanoarkusze SnSe za pomocą jednogarnkowej metody syntezy z prekursorami SnCl4 i SeO2. Byli jednak w stanie uzyskać tylko rozmiar boczny około 300 nm dla swoich nanoarkuszy. Niedawno opublikowaliśmy naszą metodę hodowli wysokiej jakości, wielkoformatowych, jednowarstwowych kryształów SnSe, które są fazowo czyste29. Ten szczegółowy protokół ma na celu pomóc początkującym praktykom w wyhodowaniu innych wielkogabarytowych, wysokiej jakości ultracienkich materiałów 2D przy użyciu tej metodologii.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Uwaga: Niektóre z czynników chemicznych i gazów używanych w tej pracy są toksyczne, rakotwórcze, łatwopalne i wybuchowe. Podczas osadzania par należy stosować wszystkie odpowiednie praktyki bezpieczeństwa, w tym stosowanie kontroli technicznych (okap wyciągowy) i środków ochrony osobistej (okulary ochronne, profesjonalne maski ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, spodnie na całej długości i buty z zakrytymi palcami).
1. Funkcja automatycznego dostrajania parametrów regulatora temperatury
UWAGA: Przed syntezą płatków SnSe, system grzewczy pieca musi zostać skalibrowany, postępując zgodnie z instrukcją producenta.
2. Wstępna obróbka rur kwarcowych i łodzi ceramicznych
UWAGA: Przed syntezą płatków SnSe wymagany jest proces czyszczenia w wysokiej temperaturze, w którym nowa ceramiczna łódź i nowa rurka kwarcowa są poddawane wstępnej obróbce.
3. Obróbka wstępna substratów SiO 2 /Si
4. Synteza masowych prostokątnych płatków SnSe
5. Produkcja jednowarstwowych prostokątnych płatków SnSe
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Schematy ideowe aparatury eksperymentalnej, obrazy optyczne, obrazy mikroskopii sił atomowych (AFM), obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i obrazy transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) sfabrykowanych płatków SnSe są pokazane w Rysunek 1, Rysunek 2, oraz Rysunek 3. Obrazy optyczne wykonywane są za pomocą tradycyjnego mikroskopu optycznego. Soczewka okularu ma wartość 10X, a soczewk...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
W tym przypadku po raz pierwszy opisano połączenie metody osadzania z transportu pary i techniki trawienia azotem w układzie ciśnienia atmosferycznego. W tym protokole krytycznymi etapami są sekcja wytwarzania jednowarstwowych płatków SnSe.
Chociaż próbki zbiorcze można wytrawić w celu utworzenia wysokiej jakości próbki jednowarstwowej, grubość próbek zbiorczych powinna być jednolita, a temperatura rozkładu próbek zbiorczych powinna być wyższa niż temperatura trawienia. Otrzymana próbka ma nis...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Nie mamy nic do ujawnienia.
Te badania były wspierane przez Program 1,000 Talents dla Młodych Naukowców z Chin, Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (Grant nr 51472164), Program A*STAR Pharos (Grant nr 152 70 00014) oraz wsparcie obiektu z NUS Center for Advanced 2D Materials.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Proszek SnSe | Sigma-Aldrich | 1315-06-6 | (99,999%) toksyczny, rakotwórczy |
| Ar gazowy | wybuchowy | ||
| gaz | łatwopalny, wybuchowy | ||
| SiO2/Si wafel | SiO2 o grubości 300 nm na silnie domieszkowanym Si | ||
| Aceton | Sigma-Aldrich | 67-64-1 | toksyczny, łatwopalny |
| Izopropanol | Sigma-Aldrich | 67-63-0 | łatwopalna |
| rurka kwarcowa | Dongjing Quartz Company, Chiny | ||
| Ceramiczna łódź | Dongjing Quartz Company, Chiny | ||
| Mikroskop optyczny | Olympus, BX51 | ||
| Mikroskopia sił atomowych | Bruker | przy użyciu sondy typu FastScan-A i skanowania ScanAsyst-air | |
| mikroskopia elektronowa | transmisyjna mikroskopia elektronowa JEOL JSM-6700F | ||
| FEI | |||
| Titan Piec rurowy | MTI Corporation |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission