Viene presentato un metodo per esfoliante grandi scaglie sottili di materiali bidimensionale sensibili aria e li trasporta in modo sicuro per analisi di fuori di un vano portaoggetti.
Descriviamo i metodi per la produzione e analisi dei grandi e sottili scaglie di materiali bidimensionale aria-sensibili. A strati sottili scaglie di o cristalli di van der Waals sono prodotte con esfoliazione meccanica, in cui strati sono sbucciati fuori un cristallo di massa utilizzando il nastro adesivo. Questo metodo produce fiocchi di alta qualità, ma spesso sono piccoli e può essere difficile da trovare, specialmente per materiali con energie di clivaggio relativamente alta come il fosforo nero. Riscaldando il substrato e il nastro, materiale bidimensionale adesione al substrato è promosso, e la resa di fiocco può essere aumentata fino a un fattore di dieci. Dopo il peeling, è necessario l’immagine o altrimenti analizzare questi fiocchi, ma alcuni materiali bidimensionale sono sensibili all’ossigeno o acqua e si degradano quando esposti aria. Abbiamo progettato e testato una cella di trasferimento ermetico per mantenere temporaneamente l’ambiente inerte di un vano portaoggetti in modo che aria-sensibile fiocchi possono essere imaged e analizzati con degradazione minima. Il design compatto della cella trasferimento è tale che analisi ottiche di materiali sensibili possono essere eseguite di fuori di una guantiera senza attrezzature specializzate o modifiche all’attrezzatura esistente.
Vari materiali a strati che possono essere espansa fino a un singolo strato atomico hanno suscitato interesse in una vasta gamma di campi. Tuttavia, ricerca e applicazione di molti di questi materiali è complicata dal fatto che sono instabile in aria e rapidamente ossidare o idratare quando esposti. Per esempio; fosforo nero è un semiconduttore con un gap di banda diretta sintonizzabile, elevata mobilità e anisotropo proprietà ottiche ed elettriche1,2,3,4,5 , ma è instabile in aria e si deteriorano in meno di un’ora6,7 a causa di interazioni con ossigeno8. CrI3 ha dimostrato recentemente di esibiscono ferromagnetismo bidimensionale9,10,11 ma, quando esposto all’aria, si degrada quasi istantaneamente11.
Dispositivi realizzati con questi materiali possono essere protetti dall’aria lavorando in un vano portaoggetti e incapsulandoli in un materiale chimicamente inerte come nitruro del boro esagonale12,13. Tuttavia, durante lo sviluppo di questi dispositivi, spesso è necessario identificare e analizzare i fiocchi prima di incapsulamento. Questa analisi richiede rimuovendo il campione dall’ambiente inerte del vano portaoggetti o mettere l’apparecchiatura di analisi nel vano portaoggetti. Rimozione dell’esempio, anche per un breve periodo, rischia di danneggiare tramite ossidazione o idratazione, mentre mettendo le attrezzature necessarie all’interno di un vano portaoggetti può essere costoso e ingombrante. Per ovviare a questo, abbiamo progettato una cella di trasferimento ermetico che racchiude in modo sicuro un campione, mantenendolo in un ambiente inerte, in modo che può essere rimosso dal vano portaoggetti. Mentre nella cella trasferimento, un campione si trova 0,3 mm sotto una finestra di vetro per consentire la facile identificazione dei fiocchi sotto un microscopio, nonché l’uso di tecniche di analisi ottica quali fotoluminescenza o spettroscopia Raman.
Alcuni materiali bidimensionale, oltre ad essere aria sensibili, sono anche difficili da esfoliare in scaglie sottili con il metodo di esfoliazione meccanica tipica perché un’energia di scissione relativamente alta, legami relativamente deboli in piano o entrambi. Altri metodi, quali CVD crescita14,15, esfoliazione liquido16o oro esfoliazione mediata17,18 sono stati sviluppati per la produzione di strati sottili ma può provocare meno incontaminate fiocchi e funziona solo per alcuni materiali. Anche se esfoliazione di grafene a temperature elevate è stato conosciuto per produrre grandi fiocchi per almeno un decennio19, questa tecnica è stata quantitativamente caratterizzata recentemente per il grafene e Bi2Sr2Francesca2 O fiocchix 20. Qui, dimostriamo che esfoliazione caldo migliora esfoliazione resa anche per il fosforo nero, un materiale che è notoriamente difficile da esfoliare. Questa tecnica, insieme a una cella di trasferimento ermetico, facilita l’esfoliazione e l’analisi dei materiali sensibili, bidimensionale di aria.
Esfoliazione caldo mantiene la capacità di esfoliazione meccanica tipica di produrre incontaminate scaglie sottili, evitando anche molti difetti delle alternative. Come tipico esfoliazione meccanica, questa tecnica non è limitata a un piccolo sottoinsieme dei materiali. Esfoliazione caldo può essere applicato a qualsiasi materiale che può essere espansa utilizzando esfoliazione meccanica temperatura, purché il materiale tollera riscaldamento a 120 ° C per 2 min in atmosfera inerte. Notiamo anche che è stato indicato20 che il tempo di riscaldamento e la temperatura (oltre 100 ° C) non fanno alcuna differenza nella densità di fiocco. Insieme a un maggiore contatto, dimensione medio fiocco può essere migliorata anche aumentando la forza di legame fra il substrato e i fiocchi. Un modo per farlo sarebbe trattando il substrato con plasma2 O ma questo renderebbe anche i fiocchi difficili o impossibili da prendere per l’uso in dispositivi che richiedono eterostruttura fabbricazione20.
La cella di trasferimento può essere costruita da qualsiasi metallo adatto. Abbiamo usato alluminio perché è facile da lavorare, ma si deve osservare che il TCE (usato per rimuovere la resina epossidica) è corrosivo per alluminio quando non stabilizzata, riscaldata o miscelato con acqua. Acciaio inossidabile sarebbe più resistente e meno reattiva con TCE. Tuttavia, non abbiamo visto alcun effetti corrosivi utilizzando questo metodo a TA. Per imaging e l’analisi con obiettivi di elevata apertura numerica, costruzione della cella trasferimento è tale che, quando chiuso, la parte inferiore della finestra è 0,8 mm sopra il piano della base. Con un substrato di spessore di 0,5 mm e adesivo spessore 0,1 mm, il campione si siede 0,3 mm sotto la parte superiore della cella di trasferimento. Questa vicinanza permette per imaging e l’analisi con alto ingrandimento e gli obiettivi relativamente breve distanza di lavoro. Esfoliate materiale può essere visto chiaramente alle 5, 20, 50 volte ingrandimento per una facile identificazione di scaglie sottili. A ingrandimenti superiori, le aberrazioni sferiche causate dalla finestra significativamente degrada la qualità dell’immagine. Se il substrato di campione è inferiore a 0,7 mm di spessore, non vi è alcun rischio di stringendole la cella. Quando si è chiusa con il tappo verso il basso, gas in eccesso viene espulso attraverso lo sfiato nel thread. Durante la costruzione, l’ubicazione precisa dello sfiato non è importante, ma è importante che non è nascosto da campione, grasso per vuoto o quant’altro. Lo sfiato impedisce che la finestra di spessore mm 0,1 fragile rottura dovuta alla sovrapressione quando è chiusa con il tappo verso il basso. La finestra è in grado di sopportare solo le variazioni di pressione di pochi mbar.
La finestra di coprioggetto utilizzata per le cellule di trasferimento è fatto di vetro borosilicato ma per analisi ottiche a lunghezze d’onda non visibile ai materiali del vicino infrarosso, altre finestra può essere utilizzato. Per la migliore immagine, si deve prestare attenzione quando si installa il vetro della finestra. Se non è inserita correttamente, la distanza tra il campione e la finestra potrebbe essere superiore al previsto. Soprattutto per piccoli obiettivi di distanza di lavoro, questo potrebbe causare l’obiettivo di schiantarsi e rompere la finestra. Inoltre, alcune resine epossidiche curerà più rapidamente a temperature più elevate, ma perché metalli e vetro hanno coefficienti di espansione termica differente, la vedova si deformerà dopo raffreddamento a temperatura ambiente. La resina epossidica dovrebbe essere curata con la stessa temperatura in cui verrà utilizzato (cioè, se la cella verrà utilizzata a temperatura ambiente), la resina dovrebbe essere curata anche a temperatura ambiente.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato supportato da NSF premio numero DMR-1610126.
Ablestik 286 epoxy | Loctite | 256 6 OZ TUBE KIT | air-tight epoxy |
Acetone | EDM Millipore Corporation | 67-64-1 | |
Circular coverglass, 24 mm dia, 0 thickness | Agar Scientific | AGL46R22-0 | window glass |
Dicing tape | Ultron systems | 1009R | exfoliation tape |
High-Vacuum grease | Dow Corning | 1597418 | O-ring grease |
Isopropanol | VWR Chemicals | BDH20880.400 | |
Silicon wafer, 300 nm oxide | University Wafer | E0851.01 | flake substrate |
Silicon wafer, 90 nm oxide | Nova Electronic Materials | HS39626-OX | flake substrate |