קילוף עור וניתוח של גדולים-אזור, חומרים מימדי רגיש אוויר

Summary

שיטה של פילינג פתיתי דק גדול של חומרים רגישים מימדי אוויר ו בבטחה לבידוק לניתוח מחוץ הכפפות מוצג.

Abstract

אנו מתארים שיטות הפקת וניתוח פתיתים גדולה, רזה בחומרים דו מימדי אוויר רגיש. פתיתים דקים של שכבות או גבישים ואן דר Waals מיוצרים בטכניקה קילוף מכני, שבו הם שכבות לקלף גביש בצובר באמצעות סרט דביק. שיטה זו מייצרת פתיתי באיכות גבוהה, אבל הם הם בדרך כלל קטנים, יכול להיות קשה למצוא, במיוחד עבור חומרים עם מחשוף גבוה יחסית אנרגיות כגון זרחן שחור. על ידי חימום המצע, והקלטת, מימדי גשמי הדבקה על המצע הוא קידם, התשואה פתית יכול להיות מוגברת על ידי עד פי עשר. לאחר קילוף, יש צורך בתמונה או אחרת לנתח פתיתים אלה אבל כמה חומרים מימדי רגישים חמצן או מים ולא תגרע כאשר חשופים אוויר. לנו יש תוכנן ונבדק תא הרמטי העברה זמנית לשמור על הסביבה אינרטי של הכפפות כך פתיתי אוויר רגיש יכול להיות עם תמונה ניתח עם השפלה מינימלי. העיצוב הקומפקטי של התא העברה הוא כזה ניתן לבצע ניתוח אופטי של חומרים רגישים מחוץ הכפפות ללא ציוד מיוחד או שינויים לציוד הקיים.

Introduction

חומרים שונים בשכבות, זה יכול exfoliated למטה שכבה אטומית אחת יצרו עניין במגוון רחב של תחומים. עם זאת, החקירה ואת יישום של רבים של חומרים אלה, זה מורכב על ידי העובדה כי הם אינם יציבים באוויר, במהירות נישחק או מימה כאשר הם נחשפים. לדוגמה; זרחן שחור היא מוליך למחצה עם הלהקה ישירה tunable הפער, ניידות גבוהה, מאפיינים אופטיים וחשמליים אניסוטרופי^1,2,3,4,5 אבל לא יציב באוויר, יחריף בתוך פחות מ-^6,שעה⁷ בשל האינטראקציות עם חמצן⁸. CrI₃ הוכח לאחרונה שהפגינו פרומגנטיות מימדי^9,10,11 , אבל, כאשר הם נחשפים לאוויר, זה מבזה באופן כמעט מיידי¹¹.

התקנים מחומרים אלה יכול להיות מוגן מפני אוויר על-ידי עבודה עם הכפפות לבצע אותם בחומר אינרטי מבחינה כימית כגון^12,ניטריד בורון משושה¹³. עם זאת, בעת פיתוח התקנים אלה, זה לעיתים קרובות הכרחי לזהות ולנתח את פתיתי לפני אנקפסולציה. ניתוח זה דורש הסרת הדגימה מן הסביבה אינרטי של בתא הכפפות או לשים את הציוד ניתוח. בתא הכפפות. הסרת הדגימה, אפילו לזמן קצר, סיכוני נזק באמצעות חמצון או שתיה, תוך הצבת את כל הציוד הדרוש בתוך הכפפות יכול להיות יקר ומסורבל. כדי לתקן זאת, תיכננו תא הרמטי העברה התוחם בבטחה מדגם, לשמור את זה בסביבה אינרטי, כך זה ניתן להסיר את הכפפות. תוך כדי העברה לתא, מדגם יושב 0.3 מ מ מתחת חלון זכוכית כדי לאפשר זיהוי קל של פתיתי תחת מיקרוסקופ, כמו גם את השימוש אופטי ניתוח טכניקות כגון פוטולומיניסנציה או ספקטרוסקופיית ראמאן.

כמה חומרים דו מימדי, בנוסף להיותו רגיש, אוויר קשים גם פילינג לתוך פתיתי דק בשיטת קילוף מכני טיפוסי כי עם אנרגיה גבוהה יחסית המחשוף, חלשה יחסית חוב בתוך המטוס או שניהם. שיטות אחרות, כגון צמיחה^14,15CVD, פילינג נוזלי¹⁶או^17,קילוף בתיווך זהב¹⁸ פותחו לייצור שכבות דק אך עלולה פתיתי פחות וטהור, עובד רק מסוימים חומרים. למרות קילוף של גראפן בטמפרטורות גבוהות ידוע לייצר פתיתים גדולה עבור לפחות עשור¹⁹, טכניקה זו באופן כמותי מאפיין לאחרונה גראפן וגם Bi₂Sr₂CaCu₂ _x פתיתי²⁰. . הנה, נדגים את קילוף עור חם משפר את התשואה קילוף עור גם עבור זרחן שחור, חומר קשה לשמצה פילינג. טכניקה זו, יחד עם תא הרמטי העברה, מקלה על קילוף עור וניתוח של חומרים רגישים, מימדי אוויר.

Protocol

1. קילוף חומרים דו-ממדיים חם

הערה: הליך זה נעשה בתוך הכפפות.

1. סרט הכנה
   1. לחתוך באורך של קלטת (ראה טבלה של חומרים) וזה ≈5-10 ס"מ ≈2 ס"מ. במקום זה, צד דביק, על אזור העבודה. מקפלים את הקצוות של הקלטת עבור טיפול קל יותר.
   2. באמצעות פינצטה, להפקיד את החומר הרצוי כ24 הדרך למטה אורך הקלטת בהקשת שוב ושוב את החומר לתוך הסרט.
   3. עוד יותר להפיץ את החומר על ידי קיפול את הקלטת לשניים-פ עצמו, שולף את זה לגזרים. כך החומר מכסה שטח של פחות 1 ס מ². בהתאם החומר, חזור על זה מספר פעמים: 1 - 2 פעמים זרחן שחור, או מספר פעמים גרפיט או ניטריד בורון משושה.
2. הכנת הדוגמא
   1. שימוש בשיטה הרצויה, כגון סופר שקצהו קרביד, קליב של פרוסות סיליקון מחמצנים או אחרים המצע הרצוי לתוך הצ'יפס מתאים הניסוי, ≤1 ס"מ. לנקות את האסימונים מאת sonicating למשך 2 דקות בתוך אצטון, ואחריו אלכוהול איזופרופיל (IPA), על צריכת חשמל נמוכה יחסית (השתמשנו 12 W). לפוצץ את שבבי יבש עם N₂.
   2. באמצעות הקלטת מוכנה, לחץ בחוזקה את החומר הופקדו על גבי המצע. החלת בלחץ חזק עם אגודל או לחץ בעדינות עם פינצטה אז החומר יוצר קשר עם השבב ככל האפשר
   3. מקם את הקלטת עם סובסטרט (המצע בצד למטה) על גזייה ב 120 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות.
   4. לאפשר את המצע לטמפרטורה RT ולהסיר אותו בקפידה מהקלטת. להשרות אצטון במשך 20 דקות להסיר שאריות של הקלטת. לשטוף עם IPA עבור 30 s ו יבש המצע עם חנקן. בהתאם החומר, יותר אפשרויות עבור ניקוי עשוי להיות זמין, כגון גז ויוצרים anneal.

2. בניית תא הרמטי העברה, פעולת ותחזוקה

1. בנייה
   1. לבנות את התא (איור 2) מתוך החומר הרצוי (השתמשנו אלומיניום). . זה 30 מ מ קוטר ו- 17.6 מ מ גבוה כאשר הוא סגור. שרטוטי ייצור זמינים http://churchill-lab.com/useful-things.
   2. להפוך את הבסיס גבוה עם פלטפורמה מוגבהת מדגם המשורשר עם ¾ - נמצא 16.2 mm 10 הליכי משנה עם פתח לחתוך החוטים. איפה הכיפה פוגש את הבסיס, להכין שיבוץ o-ring (ראה טבלה של חומרים).
   3. להפוך את כובע גבוה עם ההתאמה האשכולות נקבה דרך המרכז 8.6 מ' ' מ.
   4. הפסקה הכיפה על-ידי 0.2 מ מ כדי להכיל את קוטר 24 מ מ x חלון coverglass עבה 0.1 מ מ (כאן, זכוכית בורוסיליקט).
   5. חלות כמות קטנה של שומן ואקום כל הצדדים של o-ring ושחרר אותו לתוך שיבוץ בסיסי.
   6. לפני קביעת חלון כובע של התא, לנקות את הכובע אצטון, IPA כדי להסיר כל שמן או פסולת שהותירו את תהליך עיבוד שבבי.
   7. לצרף את החלון הכיפה התא באמצעות אפוקסי. מערבבים היטב את האפוקסי על פי מפרט היצרן. . הנה, חלקים A ו- B משולבים על יחס 1:1.8 לפי משקל.
   8. החל כמות קטנה של אפוקסי לאזור. שקועים על המכסה, להפיץ את זה בתור אחיד ככל האפשר.
   9. המקשטים ההפסקה של 0.1 מ מ עבה, 24 מ מ קוטר coverglass (זכוכית בורוסיליקט במקרה זה), לחץ אותה בעדינות לתוך האפוקסי. להבטיח החלון עם החלק העליון של הכיפה שם כי שם הם אין בועות האפוקסי.
   10. נגב את כל אפוקסי נוספת כך דבר בולט מפני השטח של הכיפה. לאפשר את אפוקסי לרפא עבור היצרן רשם זמן בטמפרטורת החדר.
2. מבצע
   הערה: הליך זה נעשה בתוך הכפפות.
   1. באמצעות השיטה הרצויה, מוספית מדגם מוכן לבסיס תא (דו צידית הקלטת, דבק, ועוד.). התא נועד להכיל דוגמאות עד 1 ס"מ ו- 0.7 מ מ עובי, כולל את הדבק.
   2. בורג בחוזקה את הכובע על גבי הבסיס. זה עושה את חותם בין שווי בסיס על-ידי דחיסת את o-ring. ודא כי הלחץ בתוך התא העברה לא יעלה על 3 mbar מעל ללחץ הסביבתי.
   3. בדוק כי המדגם יושב מתחת לחלון. המדגם עכשיו ניתן להסיר בבטחה מן בתא הכפפות.
3. תיקון חלון
   1. באמצעות פינצטה, להסיר כל זכוכית שבור זה לא למוט בחוזקה האפוקסי. לשבור את הזכוכית מה נשאר (באמצעות פקיד שקצהו קרביד או שיטה אחרת) כך האפוקסי מתחת חשוף.
      התראה: ללבוש כפפות והגנה העין בעת הסרת זכוכית שבורה.
   2. להשרות את הכובע תערובת 50: 50 של אצטון טריכלורואתילן (TCE) 1-2 h או עד האפוקסי מתרכך ומתחיל להפריד הכובע. שטיפה ב- IPA ל 30 s.
   3. לקלף כל אפוקסי רופף, לגרד את אפוקסי הנותרים מפני השטח עם סכין גילוח. . שמור על עצמך שלא יגרמו נזק המשטח של הכיפה. אם יש צורך, חזור על השלב הקודם.
   4. לשפשף את האזור שקוע עם אצטון עד פני השטח נקי של שאריות אפוקסי. ניתן להחליף את החלון תא עכשיו ביצוע הפעולות הנ.

3. דוגמה משתמשת של התא העברה

1. ניתוח אופטי
   1. עבור הדמיה בשבב אבן, מקום התא העברה תחת המיקרוסקופ. התא יכול לשמש עם כל מיקרוסקופ רגיל. כאשר ההתמקדות, היזהרו שלא להתנגש המטרה האלמנה שביר.
   2. להמשיך עם השיטה הרצויה למציאת פתיתי גשמי.
2. ספקטרוסקופיית ראמאן מקוטב
   1. בשביל לפתור קיטוב ספקטרוסקופיית ראמאן, ישר מקום לייזר לישיבה של עניין. במקרה זה נשתמש גל nm 633 ואת כוח µW 50 100 x עדשה המטרה. עבור זרחן שחור, לייזר נמוך עוצמה נדרשת כדי למנוע נזק פתית.
   2. באמצעות צלחת חצי-גל, משתנים הזווית קיטוב.

תוצאות

המטרה של פילינג חומרים מימדי היא לבודד את שכבות מאגרי דק. במהלך תהליך קילוף, פתיתי להפריד הקריסטל בתפזורת, כשמאחוריו פתיתי בעוביים, עם הסתברות קטנה עבור כמה פתיתים להיות monolayers. על ידי הגדלת את צפיפות והגודל של כל פתיתי exfoliated, קילוף עור חם מגדילה את הצפיפות ואת גודל לרוחב של פתיתים דקים. זו מושגת על ידי הגדלת על אזור החומר שגורם קשר הדוק עם המצע. תוך כדי מגע, גזים לכודים בין החומר לבין המצע הרחב במהלך חימום, יידחפו מתחת פתיתים. ההסרה של גז לכוד מאפשר יותר של החומר בא במגע קרוב עם המצע, ובכך מגדילים את כמות פתיתי exfoliated (איור 1 א',ב') בתור Ref בבירור הסביר ב 20. Exfoliations של זרחן שחור בוצעו באמצעות קילוף מכני טיפוסי טכניקה קילוף עור חם על שבבי סיליקון עם 90 ננומטר בעובי SiO₂. על ידי מדידת השטח של חומר הופקדו על שבב סיליקון 1 ס"מ על 1 ס"מ, ניתן לראות פיקדונות (איור 1C) את קילוף עור חם חומרי 6 - 10 פעמים יותר. נציין כי מניסיוננו חומרים אחרים ניתן לאסוף מ סובסטרטים ניקיתי HF שימוש פוליקרבונט לאחר קילוף עור חם, לרבות גרפן, ניטריד בורון משושה, זרחן שחור, MnPSe₃WSe₂. השתמשנו פתרון HF:water 10:1 כדי לנקות את סובסטרטים₂ SiO על פני תקופה s 15. שימו לב, 10% HF חורט SiO₂ בשיעור של 23 nm/דקה²¹ , כך תהליך זה חורט סובסטרטים שלנו ב-6 nm.

עכשיו, אנו רואים את האפקטיביות של התא העברה הרמטי (איור 3A) תוך שמירה על אווירה אינרטי כאשר להסיר את הכפפות. CrI₃ הוא רגיש במיוחד הידרציה ופוגם בתוך שניות כאשר נחשף לאוויר (דמות תלת-ממד). בתוך תא העברה, עם זאת, דוגמה₃ CrI exfoliated נותר ללא שינוי במשך 15 שעות (איור 3B), רק החלו להראות סימנים של השפלה (שלפוחיות) לאחר 24 שעות (איור 3C). בזמן נזק בקנה מידה קטן מדי לצפות שטיחות סביר מתרחשת על ציר זמן קצר, תוצאות אלו ממחישות כי התא העברה הרמטי המתוארים כאן מאט את קצב השפלה לדוגמה על ידי לפחות שלושה סדרי גודל (שעות בתוך התא בהשוואה עם שניות בחוץ).

כדי להדגים שימוש של התא העברה לבדיקה אופטית של חומרים רגישים אוויר, ביצענו לפתור קיטוב ספקטרוסקופיית ראמאן על עבה יחסית פתית (> 50 ננומטר) של זרחן שחור (איור 4A). הספקטרום נרכשו באמצעות עירור לייזר µW 50 ב 632.8 ננומטר עם עדשה המטרה 100 x. צלחת חצי-גל שימש כדי לסובב את קיטוב של הקורה עירור. ב- איור 4B, שלוש פסגות ראמאן יכול להיות שנצפו ב- BP-בסביבות 466, 438, 361 ס מ^{− 1}, המתאים_g², B_{2 g} מצבי רטט¹ _gבהתאמה, ללא קשר קיטוב, אשר מסכים עם תצפיות הקודם בגבישים BP בתפזורת עבור עירור ואוסף לאורך ציר z. ^{5 , 22} מיקומי שיא ולא ישתנו עם זווית קיטוב. אולם, עוצמות אלה שלושה מצבי יחסית לשנות באופן משמעותי עם האירוע קיטוב האור. מצב רטט_g², שבו יש את הווריאציה בעוצמה החזקה ביותר עם קיטוב לייזר עירור, כפי שמוצג באיור 4B,C, מזוהה עם תנועה אטומית לאורך הכיוון כורסה. לכן, כפי שדווחה בעבר⁵, מצב רטט זה מספק שיטה יעילה כדי לקבוע את הכיוון כורסה של הגביש BP ומכאן הכיוון קריסטל. ב- 4C איור, עוצמת ראמאן מציגה שני maxima תוך סיבוב שלם אחד, הממוקם ב 26.5 ° ו ° 206.5 ביחס הצירים X ו- Y המוגדרים של תמונות מיקרוסקופ, וכן אנו מסיקים כי הכיוון כורסה של לחץ דם הוא מונחה על 26.5 ° עבור שהשבבים האלו . ספקטרוסקופיה אופטי דומה ניתן להשתמש בשיטות לקביעת הכיוון קריסטל ומאפיינים אחרים, כגון כמספר שכבה או אופטי הלהקה הפער, חומרים דו-ממדיים אוויר רגישים אחרים.

איור 1 : הפצה של חומר שבב הסיליקון מחמצנים. (א) דגימת טיפוסי של זרחן שחור exfoliated בטמפרטורת החדר. (B) דוגמה טיפוסית של זרחן שחור exfoliated-120 מעלות צלזיוס. היסטוגרמה (C) של אזור exfoliated זרחן שחור באמצעות חדר temperature(cold) וקילוף עור חם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת. 

איור 2 : העברת תא. (א) תמונה של תא הרמטי העברה מציג כובע נפרד ובסיס. (B) שרטוט סכמטי של העברה. אוורור (ירוק) הוא לחתוך את החוטים. שימו לב כי התחתון של הבסיס הקיש, משורשר עבור הרכבה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3 : העברת תא דיכוי והשפלות פתית. (א) CrI טריים₃ בהעברה תא CrI (B)₃ בתא לאחר ה 15 (ג) CrI₃ בתא לאחר 24 שעות הידרציה שלפוחיות ניתן לראות בשלב זה. (ד) CrI₃ באוויר לאחר 24 שעות תא העברה ו 30 s באוויר. אזורים גדולים של CrI רטוב₃ אספו בקצוות פתית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4 : זיהוי הכיוון גבישי. (א) micrograph אופטי של פתיתי עבה של exfoliated ספקטרוסקופיית ראמאן לפתור קיטוב BP. (B) מוזרה BP עבה. (ג) קוטב מגרש בעוצמה ראמאן בממוצע את טווח הספקטרום (B) כפונקציה של זווית קיטוב לינארי עירור (מקור העלילה הוא בעוצמה אפס). התאם הוא פונקציה סינוס בתוספת קבוע. הקו המקווקו מציין את הכיוון כורסה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

קילוף עור חם שומרת את היכולת של קילוף מכני טיפוסי לייצר פתיתים דקים וטהור תוך הימנעות גם את downfalls רבים של חלופות. כמו קילוף מכני טיפוסי, טכניקה זו אינה מוגבלת תת קבוצה קטנה של חומרים. קילוף עור חם ניתן ליישם כל חומר יכול להיות exfoliated באמצעות קילוף מכני בטמפרטורת החדר, כל עוד החומר סובלנית חימום עד 120 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות באווירה אינרטי. אנחנו גם לציין כי הוכח²⁰ כי חימום זמן וטמפרטורה (מעל 100 מעלות צלזיוס) לא משנה מורגש בצפיפות פתית. יחד עם קשר מוגברת, גודל ממוצע פתית גם ניתן לשפר על ידי הגדלת עוצמת הקשר בין המצע שבבי. דרך אחת לעשות את זה על ידי טיפול המצע עם פלזמה₂ O אבל זה גם יעשה את פתיתי קשה או בלתי אפשרי לאסוף לשימוש במכשירים הדורשים heterostructure פבריקציה נוספת²⁰.

ניתן לבנות את התא העברת כל מתכת מתאימים. השתמשנו אלומיניום כי קל למחשב אך יצוין כי TCE (משמש להסרת אפוקסי) הוא שמשחית אלומיניום כאשר unstabilized, מחומם או מעורבב עם מים. פלדת אל-חלד יהיה עמיד יותר ולא פחות תגובתי עם TCE. עם זאת, לא ראינו תופעות קורוזיבית בשיטה זו-RT. הדמיה וניתוח עם מטרות מפתח נומרי גבוהה, בנייה של התא העברה הוא כזה, כאשר הוא סגור, החלק התחתון של החלון הוא 0.8 מ מ מעל החלק העליון של הבסיס. המצע בעובי 0.5 מ מ, מ מ 0.1 דבק מסרטי הדבקה רגילים, המדגם יושב 0.3 מ מ מתחת לקצה העליון של התא העברה. קרבה זו מאפשרת הדמיה וניתוח בהגדלה ויעדים מרחק קצר יחסית לעבוד. חומר exfoliated ניתן לראות בבירור. בגיל 5, 20, 50 פעמים הגדלה המאפשר זיהוי קל של פתיתים דקים. -הגדלה גבוהה יותר, שיבושים כדורית נגרם על-ידי החלון משמעותית מבזה את איכות התמונה. ובלבד המצע מדגם הוא פחות מ 0.7 mm עבה, יש אין סיכון של הידוק לתא. כאשר הכיפה נדפק למטה, גזים הוא גורש דרך פתח האוורור בהליכי המשנה. במהלך הבנייה, המיקום המדויק של האוורור אינה חשובה, אך זה חשוב כי זה לא כל כך הפריע לפי המדגם, גריז ואקום או כל דבר אחר. האוורור מונע שבירת בשל הלחץ כאשר אכל את הכובע למטה החלון עבה שביר 0.1 מ מ. החלון יכול לעמוד רק שינויים בלחץ של mbar ספורים.

החלון coverglass המשמש עבור התאים ההעברה עשוי זכוכית בורוסיליקט אבל לבדיקה אופטית באורכי גל שונים מ לגלויים חלון-סגול, אחר חומרים עשוי להיות שימוש. עבור ההדמיה הטובה ביותר, כדאי לשים לב בעת התקנת חלון זכוכית. אם לא מוכנס כראוי, המרחק בין מדגם לבין החלון יכול להיות גדול יותר מהצפוי. במיוחד עבור מטרות מרחק עבודה קטן, הדבר עלול לגרום המטרה מתנגשים, לשבור את החלון. בנוסף, כמה אפוקסי ירפא מהר יותר בטמפרטורות גבוהות יותר, אך מאחר מתכות וזכוכית המקדמים של הרחבה תרמי שונה, האלמנה עיוות לאחר קירור לחזור לטמפרטורת החדר. האפוקסי צריך להירפא על הטמפרטורה שבה ייעשה שימוש (קרי, אם התא ישמש בטמפרטורת החדר), אפוקסי צריך גם להירפא בטמפרטורת החדר.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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