Атмосферное давление изготовление большого размера однослойная прямоугольной SnSe хлопьев

Исследования в двух мерных материалов (2D) расцвел в последние годы после успешной изоляции графена, благодаря возможности 2D материалов, имеющих улучшенные оптические, электрические и механические свойства над их коллегами сыпучих^{1 , 2 , 3 , 4 , 5}. 2D материалы показывают перспективных приложений в оптоэлектронных и электронных устройств^6,7, катализ и воды, расщепление^8,9, поверхность расширение комбинационного рассеяния зондирования ^10,11, и т.д. большой семье слоистых материалов, которые могут быть exfoliated в 2D материалы показывают большое разнообразие, начиная от полу металлический графена полупроводниковые dichalcogenides переходных металлов (TMDs ) и черного фосфора (BP) изолирующие нитрида гексагональной бора (h-BN). Эти материалы и их гетероструктур хорошо изучили в последние годы и проявили многие новые свойства и приложения¹². Другие менее учился, но не менее перспективным 2D слоистых материалов в IIIA-через (газ, GaSe и InSe)^13,14 и IVA-через (ГЭС, Гесе и SnS)^15,у семьи^{17 16,} также недавно получил внимание.

SnSe принадлежит IVA-через группы и кристаллизуется в структуре орторомбическая, с атомы расположены в группе pnma пространства и закрепленный в слое, как Кристаллическая структура phosphorene. SnSe-это узкая щель полупроводник с запрещенной зоны 0.6 эВ, но более известный для его более уникальным термоэлектрических свойств, как сообщается, имеют очень высокую ценность (термоэлектрической добротности) ZT 2.6 923 K^18,19 , которое было обусловлено его уникальной электронной структуры и низкой теплопроводностью. Во время массовых SnSe кристаллы коммерчески доступны и могут быть выращены известными методами например Бриджман-Stockbarger метод²⁰ или метод перевозки химических паров²¹, растущего большого размера несколько слой и однослойный SnSe на диэлектрические субстраты является более сложным. Есть много оснований для поддержки 2D материального роста, как высоко ориентированный пиролитического графита (ВОПГ), слюда, SiO₂, Si₃N₄и стекла. Лоу кост SiO₂ диэлектриков являются наиболее часто используемые субстрата, как они позволяют изготовление транзисторы field - effect, где диэлектриков служить частью ворот электрических обратно. По нашему опыту, в отличие от графена и TMDs, трудно получить несколько слой или однослойный SnSe хлопья микромеханические методом отшелушивания, как массовая SnSe имеет высокий межслойную binding энергия²² 32 МЭВ / Е², что приводит к густой слои, даже по краям вспученного хлопьев. Таким образом изучение Роман электронных свойств нескольких слоя и один слой SnSe, новый, простой и недорогой синтетический метод для подготовки высококачественных крупногабаритных однослойный SnSe кристаллов на подложки изоляционные требуется, особенно поскольку SnSe Показано большие надежды как кандидата для термоэлектрических приложений для преобразования энергии в диапазоне низких и умеренных температур¹⁹.

Некоторые исследователи разработали методы синтезировать высокого качества SnSe кристаллов. Лю и др. ²³ и Franzman и др. ²⁴ используется метод решения фаза для синтеза SnSe нанокристаллов различной формы, например, квантовые точки, nanoplates, единого кристаллического nanosheets, nanoflowers и nanopolyhedra с помощью SnCl₂ и алкил фосфин Селена или диалкил diselenium как прекурсоров. Тобина и др. ²⁵ синтезированных наночастицы коллоидных SnSe путем впрыскивать bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II) в горячий trioctylphosphine, и они получили нанокристаллов ~ 4-10 Нм в диаметре. Boscher и др. ²⁶ используется метод атмосферного давления химическое парофазное осаждение для получения SnSe пленок на стекла подложках с использованием олова хлорид и диэтил селенид прекурсоров с коэффициентом олова хлорид 10 больше, чем диэтиловый селенид и их синтезированные SnSe фильмы были около 100 Нм толщиной и серебристо черная в внешний вид. Чжао и др. ²⁷ используется пара транспорта осаждения в низкой вакуумной системе и синтезированных одиночн кристалл SnSe nanoplates на подложки слюды и получил квадратных nanoplates 1-6 мкм. Однако получение однослойный SnSe кристаллы не возможно при использовании этих методов. Li et al. ²⁸ успешно синтезирован однослойные одиночн кристалл SnSe nanosheets с помощью SnCl₄ и SeO₂ прекурсоров синтетических методом один горшок. Однако, они смогли только получить боковой размер около 300 Нм для их nanosheets. Недавно мы опубликовали наш метод расти высокого качества, крупногабаритных однослойный SnSe кристаллов, которые являются чисто этап²⁹. Этот подробный протокол предназначен для новых практикующих выращивать другие крупногабаритные высокого качества ультратонких 2D материалы с использованием этой методологии.

Предупреждение: Некоторые из химических веществ и газов, используемых в этой работе, токсичных, канцерогенных, легковоспламеняющихся и взрывоопасных. Пожалуйста, используйте все практики безопасности при выполнении парофазное осаждение транспорта, включая использование инженерного управления (Зонта) и средств индивидуальной защиты (очки, профессиональные защитные маски, перчатки, лаборатории пальто, полная длина Брюки и закрыты носок обуви).

1. Авто Tune функции параметров контроллер температуры

Примечание: Перед синтеза SnSe хлопьев, система отопления печи необходимо откалибровать, следуя инструкцией производителя.

1. Установите 80% температуры наиболее часто используемых в качестве заданной температуры. Здесь, задайте 560 ^oC на 1 час и запустите печи.
2. Когда температура приближается к 560 ^oC, нажмите клавишу «SET» для 2 s, обратите внимание, что параметр «HAL» появляется и нажмите «Набора» ключ для 1 s идти следующий параметр.
3. Продолжать нажимать кнопку «SET». После «продолжение = 3» появляется, установите его как 2. Система запускает функцию auto-tune для работы значение Int, Pro и Lt, и затем система будет идти до 3. Когда необходимо повторно-авто-tune, установите его как 2.

2. Предварительная обработка кварцевые трубки и Керамические лодочки

Примечание: Перед синтеза SnSe хлопьев, являются предварительно обработанных высокой температуры требуется процесс очистки, где новый керамический лодку и новый кварцевая трубка.

1. Позиция новой керамической лодка внутри новый 1-дюймовый диаметр кварцевая трубка. Место 1-дюймовый диаметр кварцевая трубка внутри горизонтальной трубчатая печь с новой трубки кварцевые диаметром 2 дюйма. Убедитесь, что обоих концах трубы твердо фиксированной и поддерживается.
2. Закройте крышку печи и тепла трубчатая печь-1000 ^oC более 30 мин.
3. Когда температура в центре печи приближается к 1000 ^oC, держите печи на 1000 ^oC на 30 мин. Затем постепенно переходить трубчатая печь с одного конца в другой, чтобы нагреть всю длину трубки для очистки стен трубки кварцевые и керамические лодки.
4. После этого позволяют трубчатая печь остыть до комнатной температуры, отключив печи. Когда печь остынет до комнатной температуры, открыть крышку печи и вывезти новых керамических лодку и новый 1-дюймовый диаметр кварцевая трубка, которая может использоваться для последующих экспериментов.

3. Предварительная обработка SiO ₂ /Si субстратов

1. Вырезать SiO₂/Si вафельные (300 Нм толщиной SiO₂ на сильно легированных Si) (см. Таблицу материалы) с использованием алмазов Чертилка в соответствующий размер (около 1,5 см x 2 см) для использования в качестве субстратов роста.
2. Очистите SiO₂/Si субстратов в ацетоне, изопропиловый спирт и воду, а затем сушить азота.

4. синтез навалом прямоугольной формы SnSe хлопья

1. Место 0,010 g SnSe порошок (см. Таблицу материалы) в чистой керамики лодке. Место чистой SiO₂/Si субстрата (около 1,5 см x 2 см) на керамические лодке, рост стороной SnSe порошка. Позиция керамические лодка внутри чистой 1-дюймовый диаметр кварцевая трубка.
2. Место 1-дюймовый диаметр кварцевая трубка внутри горизонтальной трубчатая печь с 2-дюймовый диаметр кварцевая трубка на улице и убедитесь, что керамические лодке вверх по течению расположен, Отопление зоны трубчатая печь. Затяните фланцев на обоих концах трубки и закройте клапан сброса, которая уплотнения 2-дюймовый диаметр кварцевая трубка.
3. Включите насос, который подключается к кварцевая трубка, насос трубки под давлением ~ 1 × 10^-2 мбар для удаления воздуха и влаги в трубе. После этого давление достигнуто, выключите насос.
4. Затем откройте перевозчик газовых клапанов, используя расходомер газа для управления потоков газа. 40 стандартных кубических см в минуту (sccm) Ar и 10 sccm H₂ (чистоты: 99,9%) в кварцевая трубка пока не было достигнуто атмосферное давление. Открытие клапанов позволяет непрерывный поток газа в кварцевые трубки.
5. Закройте крышку печи и быстро нагреть трубчатая печь с 35 ^oC за минуту скорость нагрева.
6. Когда температура в центре печи достигает 700 ^oC, быстро переместите трубчатая печь для позиционирования SnSe порошков в центре печи. SnSe порошок будет испаряться, и, SnSe хлопья массовых будет хранение на поверхности /Si SiO₂.
7. После 15 минут роста времени откройте крышку печи быстро охладить трубчатая печь до комнатной температуры. Тем временем Отрегулируйте поток Ar/Ч₂ перевозчик газа максимум, который поможет управлять непрореагировавшего газов или частиц из трубы. После завершения процесса роста, массовая SnSe хлопья будут получены на поверхности субстратов /Si SiO₂.

5. Изготовление однослойные прямоугольной формы SnSe хлопья

1. Место как выращивается основная SnSe/SiO₂/Si образца лицом вверх на новый чистый керамический лодку. Позиция керамические лодка внутри новой чистой 1-дюймовый диаметр кварцевая трубка.
2. Положите 1-дюймовый диаметр кварцевая трубка внутри горизонтальной трубчатая печь с 2-дюймовый диаметр трубки кварцевые, с керамической лодка расположен выше по течению от зону нагрева печи трубы. Затяните фланцев на обоих концах трубки и закройте клапан сброса для уплотнения 2-дюймовый диаметр кварцевая трубка.
3. Включите насос, который подключается к кварцевая трубка, насос вниз по трубе давление ~ 1 × 10^-2 мбар для удаления воздуха и влаги в трубе. После того, как это будет достигнуто, выключите насос.
4. Откройте перевозчик газовых клапанов, используя расходомер газа для управления потоков газа. Ввести 50 sccm N₂ (чистоты: 99,9%) в кварцевая трубка вплоть до атмосферного давления. Открытие клапанов позволяет непрерывный поток газа в кварцевые трубки.
5. Закройте крышку печи и быстро нагреть трубчатая печь до 700 ^oC в 20 мин.
6. Когда температура в центре печи достигает 700 ^oC, быстро переместите трубчатая печь для позиционирования образца /Si массовых SnSe/SiO₂в центре печи.
7. Поддерживать печи на 700 ^oC на ~ 5-20 минут, чтобы завершить процесс травления. После этого откройте крышку печи и быстро охладить трубчатая печь до комнатной температуры. Тем временем Держите поток N₂ газа до максимума, который поможет управлять непрореагировавшего газов или частиц из трубы. После завершения процесса травления, наблюдать-однослойная прямоугольной формы SnSe хлопья полученные на поверхности субстратов /Si SiO₂.
   Примечание: Травление газ и травления время являются основными контроля факторов в этом процессе. Исследованы механизм травления в ссылке 29, поэтому см 29 для получения более подробной информации.

Схемы экспериментальных аппарата, оптических изображений, атомно-силовой микроскопии (АСМ) изображений, сканирование изображений электронная микроскопия (SEM), и передачи изображения электронной микроскопии (ТЕА) изготовлены SnSe хлопьев показаны на рисунке 1, Рисунок 2и на рисунке 3. Традиционный оптический микроскоп выполняются оптических изображений. Линзы окуляра составляет 10 X, и объектив 50 X 20 X и 100 X. Время экспозиции составляет около 0,3 секунд. 1 376 × 1, 038 разрешение полученных оптического изображения. Размер сканирования — 30 мкм с соотношением сторон 1. Смещения X и Y и угол задаются как 0. Скорость сканирования-3.92 Гц с 512 образец/строки. Неотъемлемой выгоды и пропорциональные выгоды задаются как 1.000 и 5.000, соответственно. Амплитуда setpoint, диск частоту и амплитуду качестве 208.9 mV, 1400.789 KHz, 85.14 МВ, соответственно. SEM и ТЕА изображения были исполнены в электронный микроскоп, действовали на 30 кв и 200 кв, соответственно.

Рисунок 1 показывает процесс испарения прекурсоров SnSe порошок, который сдан на хранение на поверхности /Si SiO2расти большой прямоугольный массовых SnSe хлопья методом осаждения паров транспорта в кварце атмосферное давление системы труб. Для изготовления однослойный SnSe хлопья, мы перевели как выращивается основная SnSe/SiO2/Si образца в прилегающих трубчатая печь для травления азота. Мы не используем никаких методов тепловой/химическая обработка, они не были необходимыми после процессы роста.

Рисунок 1: синтез. Схематические диаграммы, показывающие экспериментальный аппарат и процесс синтеза массовое прямоугольные SnSe хлопья и изготовление-однослойная, которую прямоугольной SnSe хлопья. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2 показывает оптической микроскопии и AFM характеристика морфология как синтезированные сыпучих и один слой SnSe хлопьев. Мы обнаружили, что основная и один слой SnSe хлопья приблизительно прямоугольная и случайно расти на подложках /Si SiO2. Рисунок 2a -d и Рисунок 2f-i: мы получили хлопья SnSe, которые являются около 30 мкм × 50 мкм в размер, примерно в 200 раз больше, чем однослойных монокристаллического SnSe nanosheets полученные Li et al. 28 2e рисунок показывает AFM изображение с соответствующей линии профиль типичного синтезированных массовых SnSe хлопья, раскрывая плоскую поверхность с толщиной около 54,9 ± 5,6 Нм. Мы измерили толщина ~6.8 ± 1.4 Å для ультра-тонкой прямоугольной SnSe хлопья (Рисунок 2j), недалеко от теоретического значения однослойный SnSe 5.749 Е18.

Рисунок 2: изображения SnSe хлопьев. Оптических изображений как синтезированные сыпучих (a-d) и однослойные (f-i) прямоугольной формы SnSe хлопьев. Типичный АСМ изображения сыпучих (e) и однослойные (j) прямоугольной формы SnSe хлопья на края плиты древесностружечные () и (f), соответственно. Авторское право: IOP публикации (разрешение воспроизвести требуется). Эта цифра была изменена от Цзян и др. 29 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Чтобы проанализировать микро структура и химический состав как синтезированных образцов, мы характеризуется сыпучих и однослойный SnSe хлопья SEM и энергии дисперсионных рентгеновская спектрометрия (EDX). На рисунке 3a -b показывает типичный SEM изображения навалом и однослойный SnSe хлопья, которые случайным образом распределены на поверхности пластин /Si SiO2. Мы видим, что как основная, так и однослойный SnSe хлопья приблизительно прямоугольная с размерами около 30 мкм × 50 мкм, отличные соглашения с результатами, полученными от оптической микроскопии изображений (рис. 2). EDX спектра (рис. 3 c) показывает 1:0.92 Атомное соотношение Sn и Se в как синтезируется основная образца, который подтверждает стехиометрическим SnSe и не SnSe2. 3d рисунок показывает типичный образ ТЕА фрагмента передаваемых SnSe. Выбранной области электрон дифракционной картины (Саид) однослойный SnSe фрагмента явно экспонатов ортогонально симметричный дифракционный рисунок (Рисунок 3e), указав, что наш образец одиночн кристалл в природе. Однослойный SnSe хлопья обычно ориентирована вдоль направления [100] самолет, как Саед также показывает шаблон пятно 0 kl отражения. 3f рисунок показывает изображение ТЕА (HR-ТЕА) высокое разрешение фрагмента передаваемых SnSe с двумя очевидными ортогональные решётки бахромой из и самолеты и решетки расстояния из около 0,30 Нм. Угол между решетка полосы составляет примерно 86,5o, который соответствует ромбическая кристаллической структуры, по согласованию с теория18.

Рисунок 3: SEM изображение () и EDX (c) спектр массовых SnSe хлопья; SEM изображения (b), ТЕА изображения (d), Саед шаблон (e) и изображения с высоким разрешением ТЕА (f)-однослойная прямоугольной формы SnSe хлопьев фрагмент, соответственно. Авторское право: IOP публикации (разрешение воспроизвести требуется). Эта цифра была изменена от Цзян и др. 29 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

У нас есть ничего не разглашать.