Eine Methode für große dünne Flocken von Luft empfindlichen zweidimensionale Materialien Peeling und sicher transportieren sie zur Analyse außerhalb einer Glovebox wird vorgestellt.
Wir beschreiben Methoden für die Herstellung und Analyse von großen, dünnen Flocken von luftempfindlichen zweidimensionale Materialien. Dünne Flocken von geschichteten oder van der Waals-Kristalle werden mit mechanischen Peeling, in denen Schichten aus einem Bulk-Kristall mit Klebeband geschält werden hergestellt. Diese Methode erzeugt qualitativ hochwertigen Flocken, aber sie sind oft klein und schwer zu finden, besonders für Materialien mit relativ hohen Spaltung Energien wie schwarzer Phosphor. Durch erhitzen das Substrat und das Band, zweidimensionale materielle Haftung auf dem Substrat wird gefördert und die Flocke-Ausbeute kann bis zu einem Faktor 10 gesteigert werden. Nach Peeling, ist es notwendig, Bild oder sonst analysieren diese Flocken aber einige zweidimensionale Materialien sind empfindlich gegenüber Sauerstoff und Wasser und werden abgebaut, wenn Luft ausgesetzt. Wir haben entworfen und getestet eine hermetische Transfer-Zelle, um vorübergehend die Inertgasmedium einer Glovebox beizubehalten, damit luftempfindlichen Flocken abgebildet und mit minimalen Abbau analysiert werden können. Die kompakte Bauweise der Übertragung Zelle ist so, dass optische Analyse von empfindlichen Materialien außerhalb einer Glovebox ohne spezielle Ausrüstung oder Änderungen an bestehenden Anlagen durchgeführt werden kann.
Verschiedenen geschichtete Materialien, die auf einer einzelnen atomaren Schicht abgeblättert können haben Interesse in einem breiten Spektrum von Bereichen generiert. Jedoch ist durch die Tatsache, dass sie in Luft instabil sind und schnell oxidieren oder Hydrat bei Erforschung und Anwendung von vielen dieser Materialien erschwert. Zum Beispiel; schwarzer Phosphor ist ein Halbleiter mit einer abstimmbaren direkte Bandlücke, hohe Mobilität und anisotropen optischen und elektrischen Eigenschaften1,2,3,4,5 aber ist instabil in Luft und in weniger als einer Stunde6,7 aufgrund von Wechselwirkungen mit Sauerstoff8verschlechtern wird. CrI-3 wurde kürzlich gezeigt, dass zweidimensionale Ferromagnetismus9,10,11 ausstellen, aber wenn Luft ausgesetzt, es verschlechtert sich fast sofort11.
Geräte aus diesen Materialien können aus der Luft geschützt werden, durch die Arbeit in einer Glovebox und Kapselung von ihnen aus chemisch inertem Material wie sechseckige Bornitrid12,13. Bei der Entwicklung dieser Geräte ist es jedoch oft notwendig zu identifizieren und analysieren die Flocken vor Kapselung. Diese Analyse erfordert entweder entfernen der Probenmaterials aus der inerten Umgebung für das Handschuhfach oder die Analysegeräte in das Handschuhfach. Entfernen der Probe, sogar für eine kurze Zeit Schädigungsgefahren durch Oxidation oder Hydratation, während platzieren die notwendige Ausrüstung innerhalb einer Glovebox teuer und umständlich sein kann. Um dem abzuhelfen, gestalteten wir eine hermetische Transfer-Zelle, die sicher umschließt eine Probe in einer inerten Umgebung zu halten, so dass das Handschuhfach entfernt werden können. Während in der Transfer-Zelle sitzt eine Probe 0,3 mm unter einem Glasfenster ermöglichen einfache Identifizierung der Flocken unter dem Mikroskop sowie der Einsatz von optischen Analysetechniken wie Photolumineszenz oder Raman-Spektroskopie.
Einige zweidimensionale Materialien, abgesehen davon, dass Luft empfindlich ist, sind auch schwierig, in dünnen Flocken mit der typischen mechanischen Peeling-Methode weil ein Peeling eine relativ hohe Spaltung Energie, relativ schwach in der Ebene Anleihen oder beides. Andere Methoden wie CVD Wachstum14,15, flüssiges Peeling16oder gold vermittelten Peeling17,18 wurden für die Herstellung von dünnen Schichten entwickelt, aber unter Umständen weniger als unberührten Flocken und nur für bestimmte Materialien zu arbeiten. Obwohl Peeling von Graphen bei erhöhten Temperaturen, große Flocken für mindestens ein Jahrzehnt19zu produzieren bekannt ist, hat diese Technik quantitativ vor kurzem für Graphen und Bi2Sr2CaCu2 geprägt OX 20Flocken. Hier zeigen wir, dass diese heißen Peeling Peeling Rendite auch für schwarzen Phosphor, ein Material verbessert, die notorisch schwer zu peelen. Diese Technik, zusammen mit einer hermetischen Transfer Zelle erleichtert das Peeling und Analyse der Luft empfindlich, zweidimensionale Materialien.
Heißen Peeling behält die Fähigkeit der typische mechanische Peeling, unberührte dünne Flocken produzieren auch viele Stürze von Alternativen zu vermeiden. Wie typische mechanische Peeling beschränkt sich diese Technik nicht auf eine kleine Teilmenge der Materialien. Heißen Peeling kann auf jedes Material angewendet werden, die mit Raumtemperatur mechanische Peeling, solange das Material Heizung bis 120 ° C für 2 min in inerter Atmosphäre verträgt abgeblättert werden können. Wir beachten Sie auch, dass es20 gezeigt hat, dass die Heizung und die Temperatur (über 100 ° C) keine merklichen Unterschied in der Flocke Dichte nicht machen. Zusammen mit erhöhten Kontakt kann durchschnittliche Flake Größe auch verbessert werden, durch die Erhöhung der Verbundfestigkeit zwischen dem Substrat und die Flocken. Eine Möglichkeit, dies zu tun wäre durch die Behandlung des Substrats mit O2 Plasma, aber dies würde auch die Flocken, schwer oder gar nicht für den Einsatz in Geräte mit hohem Heterostruktur Herstellung20abholen.
Die Transfer-Zelle kann aus jeder geeigneten Metall aufgebaut werden. Wir verwendet Aluminium, weil es einfach maschinell zu bearbeiten aber es angemerkt werden, sollte dass TCE (zum Entfernen von Epoxid) korrosiv auf Aluminium nicht stabilisierten, beheizten oder mit Wasser gemischt wird. Edelstahl wäre haltbarer und weniger reaktiv mit TCE. Allerdings haben wir nicht gesehen, korrosive Wirkung, die mit dieser Methode bei RT Für Bildverarbeitung und Analyse mit hoher numerischer Apertur Zielen ist Konstruktion der Zelle übertragen, dass, wenn geschlossen, den unteren Teil des Fensters 0,8 mm über der Oberseite des Sockels ist. Mit einem 0,5 mm dicken Substrat und 0,1 mm dicken Klebstoff sitzt die Probe 0,3 mm unterhalb der Oberkante der Zelle übertragen. Diese Nähe ermöglicht eine Bildgebung und Analyse mit hoher Vergrößerung und relativ kurzen arbeiten ferne Ziele. Abgestoßene Material ist deutlich auf 5, 20, 50 fache Vergrößerung erlaubt zur einfachen Identifizierung von dünnen Flocken. Bei höheren Vergrößerungen sphärischen Aberrationen verursacht durch das Fenster deutlich verschlechtert die Bildqualität. Vorausgesetzt, dass die Probe Substrat weniger als 0,7 mm dick ist, besteht kein Überdrehen der Zelle. Wenn die Kappe nach unten aufgeschraubt ist, wird durch den Abzug in den Threads überschüssiges Gas ausgestoßen. Während der Bauphase die genaue Lage des Schlots ist nicht wichtig, aber es ist wichtig, dass es nicht durch die Probe, Vakuum Fett oder sonst etwas behindert wird. Der Schlot wird verhindert, dass das fragile 0,1 mm dicken Fenster brechen durch Überdruck, wenn die Kappe nach unten aufgeschraubt ist. Das Fenster kann nur Druckänderungen von wenigen Mbar standhalten.
Das Deckglas Fenster verwendet für die Übertragung Zellen setzt sich aus Borosilikatglas kann für optische Analyse bei Wellenlängen anders als für Nah-Infrarot-, andere Fenstermaterialien sichtbar jedoch Verwendung. Für die beste Belichtung sollte darauf geachtet werden, wenn die Glasscheibe zu installieren. Wenn nicht richtig sitzt, könnte der Abstand zwischen der Probe und Fenster größer als erwartet sein. Speziell für kleine Arbeiten ferne Ziele könnte dadurch das Ziel krachen und das Fenster zu brechen. Auch einige Epoxidharze werden bei höheren Temperaturen schneller heilen, aber da Metalle und Glas unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird die Witwe nach dem Abkühlen wieder auf Raumtemperatur verformen. Das Epoxidharz sollte die gleiche Temperatur an dem verwendet wird (d. h., wenn die Zelle bei Raumtemperatur verwendet wird) geheilt werden, das Epoxidharz sollte auch bei Raumtemperatur geheilt werden.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde durch NSF Prämiennummer DMR-1610126 unterstützt.
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 |