Pressione atmosferica fabbricazione di fiocchi di medie e grandi monostrato rettangolare SnSe

Riepilogo

Un protocollo è presentato che dimostra una tecnica di montaggio in due fasi per crescere grandi monostrato a forma rettangolare SnSe fiocchi su wafer di basso costo SiO₂/Si dielettrici in un sistema di pressione atmosferica al quarzo tubo fornace.

Abstract

Seleniuro di latta (SnSe) appartiene alla famiglia dei materiali a strati calcogenuri del metallo con una struttura con fibbia come phosphorene e ha indicato il potenziale per le applicazioni in dispositivi di nanoelettronica bidimensionale. Anche se sono stati sviluppati molti metodi per sintetizzare nanocristalli SnSe, un modo semplice per fabbricare grandi fiocchi di monostrato SnSe rimane una grande sfida. Qui, vi mostriamo il metodo sperimentale a crescere direttamente grandi monostrato rettangolare SnSe fiocchi su comunemente usato SiO₂/Si substrati utilizzando un metodo di fabbricazione semplice in due fasi in un tubo di quarzo di pressione atmosferica isolanti sistema del forno. Il monostrato rettangolare SnSe fiocchi con uno spessore medio di ~6.8 Å e ingombro laterale di circa 30 µm × 50 µm sono stati fabbricati da una combinazione di tecnica di deposizione di trasporto del vapore e percorso di incisione di azoto. Abbiamo caratterizzato la morfologia, microstruttura e proprietà elettriche dei fiocchi SnSe rettangolari ed abbiamo ottenuto eccellenti cristallinità e buone proprietà elettroniche. Questo articolo circa il metodo di fabbricazione in due fasi può aiutare i ricercatori a crescere altri simili materiali bidimensionale, medie e grandi, singolo strato utilizzando un sistema di pressione atmosferica.

Introduzione

Ricerca nei due dimensionale (2D) materiali ha fiorito negli ultimi anni dall'isolamento successo del grafene, dalla possibilità di 2D materiali aventi proprietà elettriche, ottiche e meccaniche superiori sopra le loro controparti di massa^{1 , 2 , 3 , 4 , 5}. materiali 2D mostrano promettenti applicazioni in optoelettronica e dispositivi elettronici^6,7, catalisi e acqua spaccare^8,9, Superficie-enhanced Raman scattering rilevamento ^10,11, ecc la grande famiglia di materiali stratificati, che può essere espansa in materiali 2D mostra grande diversità, che vanno dal grafene semimetallico per i semiconduttori dichalcogenides di metalli di transizione (TMDs ) e nero (BP) di fosforo per il nitruro di boro esagonale isolante (h-BN). Questi materiali e loro eterostrutture sono state ben studiate negli ultimi anni e sono esposte molte proprietà e applicazioni romanzo¹². Altri meno studiata, ma altrettanto promettente 2D a strati di materiali nel IIIA-VIA (GaS, GaSe e InSe)^13,14 e IVA-VIA (GeS, GeSe e SnS)^15,16,17 famiglie hanno anche recentemente ricevuto attenzione.

SnSe appartiene all'IVA-VIA gruppo e si cristallizza in una struttura ortorombica, con gli atomi disposti in gruppo spaziale pnma e lanciati all'interno dello strato, come la struttura di cristallo di phosphorene. SnSe è un semiconduttore di spacco stretto con un band gap di 0,6 eV, ma è più noto per le sue proprietà termoelettrico più unico, come è segnalato per avere un valore molto elevato di ZT (termoelettrico cifra di merito) di 2,6 923K^18,19 , che è stato attribuito alla sua unica struttura elettronica e bassa conducibilità termica. Mentre massa SnSe cristalli sono commercialmente disponibili e possono essere coltivate con i metodi noti, ad esempio il metodo Bridgeman-Stockbarger²⁰ o il metodo di trasporto del vapore chimico²¹, crescono grandi dimensioni alcuni strati e monostrato SnSe il dielettrico substrati è più impegnativo. Ci sono molti substrati per sostenere la crescita materiale 2D, quali grafite pirolitica altamente orientato (HOPG), mica, SiO₂, Si₃N₄e vetro. Dielettrici di basso costo SiO₂ sono i più comunemente utilizzati substrato, come queste permettono la realizzazione di transistori di field - effect, dove i dielettrici serviscono come parte del cancello posteriore elettrico. Nella nostra esperienza, a differenza di grafene e TMDs, è difficile ottenere alcuni strati o monostrato SnSe fiocchi dal metodo esfoliazione micromeccanici, come massa SnSe ha un alto interfalda energia di legame²² 32 MeV / Ų, che conduce a spessore strati, anche lungo i bordi dei fiocchi esfoliati. Pertanto, per studiare le proprietà elettroniche romanzo di qualche strato e singolo strato SnSe, un metodo sintetico nuovo, semplice e a basso costo per preparare SnSe grandi cristalli di monostrato della alta qualità su substrati isolanti è necessario, soprattutto perché ha SnSe indicato la grande promessa come un candidato per le applicazioni termoelettriche per la conversione di energia a temperatura moderata e bassa gamma¹⁹.

Diversi ricercatori hanno sviluppato metodi per sintetizzare cristalli SnSe di alta qualità. Liu et al. ²³ e Franzman et al. ²⁴ usato un metodo di soluzione trifase per sintetizzare SnSe nanocristalli di forme diverse, quali punti quantici, nanoplates, singolo nanosheets cristallina, nanoflowers e nanopolyhedra utilizzando SnCl₂ e alchil-fosfina-selenio o dialchil diselenium come precursori. Baumgardner et al. ²⁵ sintetizzato nanoparticelle colloidali SnSe iniettando bis[bis(trimethylsilyl)amino]tin(II) triottilfosfina caldo, e ottengono nanocristalli di ~ 4-10 nanometro di diametro. Boscher et al. ²⁶ usata una tecnica di deposizione di vapore chimico di pressione atmosferica per ottenere film SnSe su substrati di vetro utilizzando precursori seleniuro stagno tetracloruro ed etilico con un rapporto di tetracloruro di stagno più grande seleniuro di dietile e loro sintetizzato 10 SnSe pellicole erano circa 100 nm spessa e argento-nero in apparenza. Zhao et al. ²⁷ usato trasporto deposizione di vapore in un sistema di vuoto basso e sintetizzati singolo-cristallo SnSe nanoplates su substrati di mica e ottenuti nanoplates quadrati di 1-6 µm. Tuttavia, ottenere monostrato SnSe cristalli non sono possibili utilizzando queste tecniche. Li et al. ²⁸ sintetizzato con successo singolo strato singolo-cristallo SnSe nanosheets utilizzando un metodo sintetico di uno-pentola con SnCl₄ e SeO₂ precursori. Comunque, erano solo in grado di ottenere una dimensione laterale di circa 300 nm per loro nanosheets. Recentemente abbiamo pubblicato il nostro metodo per crescere di alta qualità, grandi monostrato SnSe cristalli che sono pura fase²⁹. Questo protocollo dettagliato è destinato per aiutare gli operatori di nuovi a crescere di altri grandi dimensioni ultrasottili 2D materiali di alta qualità utilizzando questa metodologia.

Protocollo

Attenzione: Alcuni degli agenti chimici e gas utilizzati in questo lavoro sono tossiche, cancerogene, infiammabili ed esplosive. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue una deposizione di trasporto vapore compreso l'uso di controlli tecnici (cappa) e dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, professionale maschere protettive, guanti, camice da laboratorio, integrale Pantaloni e scarpe chiuse).

1. auto-Tune funzione dei parametri del regolatore di temperatura

Nota: Prima la sintesi di SnSe fiocchi, il sistema di riscaldamento del forno deve essere calibrato seguendo il manuale del produttore.

1. Impostare l'80% della temperatura più comunemente usata come la temperatura di destinazione. Impostare qui, 560 ^oC per 1 h ed eseguire il forno.
2. Quando la temperatura si avvicina 560 ^oC, premere il tasto "SET" per 2 s, si noti che il parametro "HAL" si apre e premere il tasto "SET" fondamentali per 1 s per passare il parametro successivo.
3. Continuare a premere il tasto "SET". Dopo "Cont = 3" viene visualizzato, impostare come 2. Il sistema si avvia la funzione di auto-tune per calcolare il valore per Int, Pro e Lt, e poi il sistema andrà a 3. Quando è necessario re-auto-tune, impostarlo come 2.

2. pretrattamento di tubi al quarzo e ceramica Barche

Nota: Prima la sintesi di SnSe fiocchi, un'elevata temperatura di processo di pulizia è necessaria, dove una nuova barca in ceramica e un nuovo tubo di quarzo sono pretrattati.

1. Posizionare una nuova barca in ceramica all'interno di un nuovo tubo di quarzo di 1 pollice di diametro. Posizionare il tubo di quarzo di 1 pollice di diametro all'interno di un forno tubolare orizzontale con un nuovo tubo di quarzo di diametro da 2 pollici. Assicurarsi che entrambe le estremità dei tubi sono saldamente fissate e supportate.
2. Chiudere il coperchio del forno e riscaldare il forno tubolare per 1.000 ^oC oltre 30 min.
3. Quando la temperatura al centro del forno si avvicina a 1.000 ^oC, è possibile mantenere il forno a 1.000 ^oC per 30 min. Quindi, spostare gradualmente il forno tubolare da un'estremità a altra per riscaldare tutta la lunghezza del tubo per la pulizia della parete del tubo di quarzo e la barca in ceramica.
4. Dopo questo, lasciare il forno tubolare raffreddare a temperatura ambiente con lo spegnimento del forno. Quando il forno si è raffreddato a temperatura ambiente, aprire il coperchio del forno ed estrarre la nuova barca in ceramica e il nuovo tubo di quarzo di 1 pollice di diametro, che può essere utilizzato per gli esperimenti successivi.

3. pretrattamento SiO ₂ /Si substrati

1. Tagliare il SiO₂/Si wafer (300 nm spessore SiO₂ su pesantemente drogata Si) (Vedi Tabella materiali) utilizzando una penna di diamante in una dimensione appropriata (circa 1,5 cm × 2 cm) per essere utilizzati come substrati di crescita.
2. Pulire i SiO₂/Si substrati in acetone, isopropanolo e acqua, seguita da un colpo di azoto secco.

4. sintesi di massa rettangolare a forma di fiocchi di SnSe

1. Posto 0,010 g SnSe polvere (Vedi Tabella materiali) in barca ceramica pulito. Posizionare un pulito SiO₂/Si substrato (circa 1,5 cm × 2 cm) sulla barca in ceramica, lato di crescita rivolto verso la polvere SnSe. Posizione della barca in ceramica all'interno di un tubo di quarzo pulito 1 pollice di diametro.
2. Posizionare il tubo di quarzo di 1 pollice di diametro all'interno di un forno tubolare orizzontale con un tubo di quarzo del diametro di 2 pollici all'esterno e assicurarsi che la barca in ceramica si trova a Monte della zona di riscaldamento del forno tubo. Stringere leggermente le flange alle due estremità del tubo e chiudere la valvola di sfogo, che sigilla il tubo di quarzo di 2 pollici di diametro.
3. Accendere la pompa che si collega al tubo di quarzo, pompa il tubo ad una pressione di ~ 1 × 10^-2 mbar per rimuovere aria e umidità nel tubo. Dopo che la pressione è raggiunto, spegnere la pompa.
4. Poi aprire le valvole del gas vettore, utilizzando il misuratore di portata gas per controllare i flussi di gas. Introdurre standard cm cubi al minuto (sccm) Ar 40 e 10 sccm H₂ (purezza: 99.9%) nel tubo di quarzo fino a raggiungere la pressione atmosferica. Aprire le valvole di sfiato per permettere un flusso continuo di gas in tubi al quarzo.
5. Chiudere il coperchio del forno e riscaldare velocemente il forno tubolare con un 35 ^oC per riscaldamento-tariffa al minuto.
6. Quando la temperatura al centro del forno si avvicina 700 ^oC, spostare rapidamente il forno tubolare per posizionare le polveri SnSe al centro del forno. La polvere di SnSe evapora, e la maggior parte che SNSE fiocchi si depositerà sulla superficie /Si SiO₂.
7. Dopo 15 min tempo di crescita, aprire il coperchio del forno per raffreddare rapidamente la fornace del tubo a temperatura ambiente. Nel frattempo, regolare il flusso di Ar/H₂ vettore gas al massimo, che vi aiuterà a guidare il gas non reagiti o particelle fuori i tubi. Al termine il processo di crescita, alla rinfusa SnSe fiocchi saranno ottenuti sulla superficie dei substrati /Si SiO₂.

5. fabbricazione di monostrato rettangolare a forma di fiocchi di SnSe

1. Posto alla rinfusa come cresciuto SnSe/SiO₂/Si campione a faccia in su una barca nuova ceramica pulito. Posizione della barca in ceramica all'interno di un tubo di quarzo nuovo pulito 1 pollice di diametro.
2. Mettere il tubo di quarzo di 1 pollice di diametro all'interno del forno di tubo orizzontale con un tubo di quarzo del diametro di 2 pollici, con la barca in ceramica situata a Monte della zona di riscaldamento del forno tubo. Stringere leggermente le flange alle due estremità del tubo e chiudere la valvola di sfogo per sigillare il tubo di quarzo di 2 pollici di diametro.
3. Accendere la pompa che si collega al tubo di quarzo, pompa verso il basso il tubo ad una pressione di ~ 1 × 10^-2 mbar per rimuovere aria e umidità nel tubo. Dopo che si ottiene, spegnere la pompa.
4. Aprire le valvole del gas vettore, utilizzando il misuratore di portata gas per controllare i flussi di gas. Introdurre 50 sccm N₂ (purezza: 99.9%) nel tubo di quarzo fino al raggiungimento della pressione atmosferica. Aprire le valvole di sfiato per permettere un flusso continuo di gas in tubi al quarzo.
5. Chiudere il coperchio del forno e rapidamente riscaldare il forno tubolare a 700 ^oC in 20 min.
6. Quando la temperatura al centro del forno si avvicina 700 ^oC, spostare rapidamente il forno tubolare per posizionare il campione di massa SnSe/SiO₂/Si al centro del forno.
7. Mantenere il forno a 700 ^oC ~ 5-20 min completare il processo di incisione. Dopo di che, aprire il coperchio del forno e raffreddare rapidamente la fornace del tubo a temperatura ambiente. Nel frattempo, mantenere il flusso del gas di N₂ ad un massimo, che vi aiuterà a guidare il gas non reagiti o particelle fuori i tubi. Quando viene completato il processo di incisione, osservare i monostrato rettangolare sagomato SnSe fiocchi ottenuti sulla superficie dei substrati /Si SiO₂.
   Nota: L'acquaforte gas e tempo di attacco sono i principali fattori di controllo in questo processo. Il meccanismo di acquaforte è studiato in riferimento 29, così vedere riferimento 29 per maggiori dettagli.

Risultati

Diagrammi schematici del apparato sperimentale, immagini ottiche, immagini di microscopia (AFM) forza atomica, la scansione di immagini di microscopia elettronica (SEM) e immagini di microscopia elettronica (TEM) di trasmissione dei fiocchi SnSe fabbricati sono illustrati nella Figura 1, Figura 2e Figura 3. Immagini ottiche sono eseguite da un microscopio ottico tradizionale. La lente dell'oculare è...

Discussione

Qui, la combinazione di un metodo di deposizione del trasporto del vapore e un azoto incisione tecnica in un sistema di pressione atmosferica è in primo luogo segnalata. In questo protocollo, i punti critici sono la sezione della fabbricazione di fiocchi SnSe monostrato.

Anche se i campioni di massa possono essere incisi per formare un campione di monostrato di alta qualità, lo spessore dei campioni alla rinfusa deve essere uniforme e la temperatura di decomposizione di campioni di massa dev...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
SnSe powder	Sigma-Aldrich	1315-06-6	(99.999%) toxic, carcinogenic
Ar gas			explosive
H2 gas			flammable, explosive
SiO2/Si wafer			300 nm thick SiO2 on heavily doped Si
Acetone	Sigma-Aldrich	67-64-1	toxic, flammable
Isopropanol	Sigma-Aldrich	67-63-0	flammable
Quartz tube	Dongjing Quartz Company, China
Ceramic boat	Dongjing Quartz Company, China
Optical microscope	Olympus, BX51
Atomic force microscopy	Bruker		Using FastScan-A probe type and ScanAsyst-air
Scanning electron microscopy	JEOL JSM-6700F
transmission electron microscopy	FEI Titan
Tube furnace	MTI Corporation