En metod för exfolierande stora tunna flingor av luft känsliga tvådimensionella material och säkert transportera dem för analys utanför ett handskfack presenteras.
Vi beskriver metoder för att framställa och analysera stora, tunna flingor av air-känsliga tvådimensionellt material. Tunna flingor av lager eller van der Waals kristaller produceras med hjälp av mekanisk exfoliering, där lager är skalade bort en bulk kristall med tejp. Denna metod producerar högkvalitativa flingor, men de är ofta små och kan vara svåra att hitta, särskilt för material med relativt höga klyvning energier såsom fosfor svart. Tvådimensionella material vidhäftning till underlaget främjas genom upphettning av substrat och bandet, och flake avkastningen kan ökas med upp till tio gånger. Efter exfoliering, är det nödvändigt att bild eller annars analysera dessa flingor men vissa tvådimensionella material är känsliga för syre eller vatten och försämras när utsatt luft. Vi har utformat och testat en hermetisk överföring cell att tillfälligt upprätthålla ett handskfack inert miljö så att luft-känsliga flingor kan avbildas och analyseras med minimal försämring. Den kompakta utformningen av cellen överföring är sådan att optisk analys av känsligt material kan utföras utanför ett handskfack utan specialutrustning eller ändringar av befintlig utrustning.
Olika lager material som kan vara exfolierad ner till en enda atomlager har genererat intresse över ett brett spektrum av områden. Dock kompliceras undersökningen och tillämpning av många av dessa material av det faktum att de är instabila i luften och snabbt oxidera eller återfukta när utsatt. Till exempel; Fosfor svart är en halvledare med avstämbara direkta band gap, hög rörlighet och Anisotrop optiska och elektriska egenskaper1,2,3,4,5 men är instabila i luft och kommer att försämras i mindre än en timme6,7 på grund av interaktioner med syre8. CrI3 nyligen visats uppvisar tvådimensionell ferromagnetism9,10,11 , men när den utsätts för luft, det nästan omedelbart försämrar11.
Enheter gjorda av dessa material kan skyddas från luften genom att arbeta i ett handskfack och kapsla in dem i ett kemiskt inert material såsom sexkantiga boron nitride12,13. Dock när man utvecklar dessa enheter, är det ofta nödvändigt att identifiera och analysera flingor innan inkapsling. Denna analys kräver antingen att ta bort provet från inert miljö av glovebox eller sätta analysutrustning i glovebox. Ta bort provet, även för en kort tid, skada risker via oxidation eller återfuktning, medan utsläppande nödvändig utrustning inuti ett handskfack kan vara kostsamma och besvärliga. För att råda bot på detta, utformat vi en hermetisk överföring cell som säkert omsluter ett prov, hålla den i en inert miljö, så att den kan tas bort från glovebox. Medan i överföring cellen, sitter ett prov 0,3 mm nedanför ett glasfönster att tillåta enkel identifiering av flingor i Mikroskop samt användning av optiska analystekniker som fotoluminescens eller Ramanspektroskopi.
Vissa tvådimensionella material, förutom att vara luft känslig, är också svårt att skrubba in tunna flingor med typisk mekanisk exfoliering metoden eftersom en relativt höga klyvning energi, relativt svaga i-plane obligationer eller båda. Andra metoder, såsom CVD tillväxt14,15, flytande exfoliering16eller guld medierad exfoliering17,18 har utvecklats för att producera tunna skikt men kan resultera i mindre än orörda flingor och fungera bara för vissa material. Även om exfoliering av grafen vid förhöjda temperaturer har varit kända för att producera stora flingor för minst ett decennium19, har denna teknik kvantitativt präglats nyligen för både grafen och Bi2Sr2CaCu2 Ox flingor20. Här visar vi att heta exfoliering förbättrar exfoliering avkastningen också för fosfor svart, ett material som är notoriskt svårt att exfoliera. Denna teknik, tillsammans med en hermetisk överföring cell, underlättar exfoliering och analys av luft känslig, tvådimensionell material.
Heta exfoliering behåller typisk mekanisk exfoliering förmåga att producera orörda tunna flingor samtidigt också undvika många downfalls av alternativ. Som typisk mekanisk exfoliering är denna teknik inte begränsad till en liten delmängd av material. Heta exfoliering kan tillämpas på material som kan vara exfolierad med rumstemperatur mekanisk exfoliering så länge materialet tål värme till 120 ° C i 2 min i en inert atmosfär. Vi kan också konstatera att det har visats20 att värme tid och temperatur (över 100 ° C) inte gör någon märkbar skillnad i flake densitet. Tillsammans med ökad kontakt, kan genomsnittliga flake storlek också förbättras genom att öka bindningsstyrkan mellan substratet och flingor. Ett sätt att göra detta skulle vara genom att behandla underlaget med O2 plasma men detta skulle också göra flingor svårt eller omöjligt att plocka upp för användning i enheter som kräver heterostrukturfotoniska fabrication20.
Cellen överföring kan konstrueras från någon lämplig metall. Vi använde aluminium eftersom det är lätt att maskinen men det bör noteras att TCE (används för att ta bort epoxi) är frätande på aluminium när ostabiliserad, uppvärmd eller blandas med vatten. Rostfritt stål skulle vara mer hållbart och mindre reaktiva med TCE. Vi har dock inte sett några frätande effekter med denna metod på RT. För bildbehandling och analys med hög numeriska bländaröppningen mål är byggandet av cellen överföring sådan att när stängd botten av fönstret är 0.8 mm ovanför toppen av basen. Med 0,5 mm tjock substrat och 0,1 mm tjockt klister sitter provet 0,3 mm under toppen av cellen överföring. Denna närhet tillåter för bildhantering och analys med hög förstoring och relativt kort arbeta avstånd mål. Exfolierad material kan ses tydligt på 5, 20, 50 gångers förstoring möjliggör enkel identifiering av tunna flingor. Vid högre förstoringar, sfärisk aberration orsakas av fönstret avsevärt försämrar bildkvaliteten. Förutsatt att provet substratet är mindre än 0,7 mm tjock, finns det ingen risk för åtdragningsmoment cellen. När locket skruvas ner, är överflödig gas utvisas genom ventilen i trådar. Under konstruktion, den exakta platsen för ventilen är inte viktigt, men det är viktigt att det inte är blockerat av provet, vakuum fett eller något annat. Avluftaren förhindrar att fönstret bräckliga 0,1 mm tjockt att bryta på grund av övertryck när locket skruvas ner. Fönstret tål endast tryckförändringar på några mbar.
Fönstret täckglas används för överföring cellerna är tillverkade av borosilikatglas men för optisk analys vid våglängder än synligt infrarött, andra fönster material kan användas. För den bästa imaging, bör vara försiktig när du installerar glasfönstret. Om inte korrekt placerad, vara avståndet mellan provet och fönster större än förväntat. Särskilt för små arbeta avstånd mål, kan detta orsaka att krascha in och bryta fönstret. Även vissa epoxi härdar snabbare vid högre temperaturer, men eftersom metaller och glas har olika värmeutvidgning koefficienter, änkan kommer att deformeras efter kylning tillbaka till rumstemperatur. Epoxyn bör botas vid samma temperatur vid vilken den ska användas (dvs. om cellen ska användas vid rumstemperatur), epoxi bör också botas vid rumstemperatur.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöds av NSF award nummer 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 |