Pul pul dökülme ve geniş alanlara, analizini hava duyarlı iki boyutlu malzemeleri

Özet

Hava iki boyutlu malzemelerinin büyük ince pul peeling ve güvenli bir şekilde onları analiz dışında bir torpido taşıyan bir yöntem sunulur.

Özet

Biz üretir ve büyük, ince pul hava duyarlı iki boyutlu malzemelerin çözümleme yöntemleri açıklanmaktadır. İnce pul katmanlı ya da van der Waals kristalleri katmanları yapışkan bant kullanarak bir toplu kristal soyulmuş olan mekanik pul pul dökülme kullanılarak üretilmektedir. Bu yöntem yüksek kaliteli pul oluşturur, ancak çoğu kez küçük ve özellikle için nispeten yüksek bölünme enerjileri siyah fosfor gibi malzemelerle bulmak zor olabilir. Belgili tanımlık substrate ve kaseti Isıtma, iki boyutlu malzeme yapışma için belgili tanımlık substrate terfi ve pul verim tarafından yaklaşık on katına kadar artırılabilir. Pul pul dökülme sonra görüntü veya aksi halde bu gevreği çözümlemek gereklidir ama iki boyutlu bazı malzemeler oksijen veya su duyarlıdır ve ne zaman düşer maruz hava. Biz tasarlanmış ve böylece hava duyarlı pul görüntüsü ve çok az bozulma ile analiz geçici olarak bir torpido etkisiz ortamı korumak için hermetik transfer hücre test edilmiştir. Transfer hücre kompakt tasarım hassas malzemelerin optik Analizi bir torpido özel ekipman veya değişiklikler mevcut ekipman olmadan dışında yapılan böyle olduğunu.

Giriş

Tek bir atom katman aşağı Bakımı çeşitli katmanlı malzemeler ilgi alanları çok çeşitli üretilip. Ancak, araştırma ve uygulama birçok bu malzemelerin karmaşık bir gerçeği onlar havada kararsız ve hızlı bir şekilde okside veya maruz kaldığında hidrat ile. Örneğin; siyah fosfor yarı iletken bir akort doğrudan grup boşluk, yüksek hareket kabiliyetine sahip ve anizotropik optik ve elektriksel özellikleri^1,2,3,4,5 ama havada kararsız ve Oksijen⁸ile etkileşimler nedeniyle bir saat^6,7 ' den daha az sayıda bozulacaktır. CRI₃ iki boyutlu ferromagnetism^9,10,11 sergi için son zamanlarda gösterilmiştir ama havaya maruz zaman, neredeyse anında¹¹alçaltır.

Bu malzemelerden yapılmış cihazlar havadan bir torpido çalışma ve onları altıgen bor nitrür^12,13gibi kimyasal olarak inert bir malzeme olarak Kapsüllenen tarafından korunabilir. Ancak, bu aygıtların geliştirirken, genellikle tanımlamak ve pul kapsülleme önce analiz gereklidir. Bu analiz örnek torpidoda etkisiz ortamından kaldırma veya analiz donanımları torpidoda içinde koyarak gerektirir. Bir torpido içinde gerekli ekipman yerleştirme pahalı ve hantal olabilir iken bile kısa bir süre için örnek kaldırma riskleri oksidasyon veya hidrasyon, yolu ile zarar. Bu sorunu gidermek için biz böylece o-ebilmek var olmak çıkarmak--dan torpidoda inert bir ortamda tutulması güvenli bir şekilde bir örnek içine alan bir hermetik transfer hücre tasarlanmıştır. Transfer hücre bir örnek 0.3 mm pul bir mikroskop altında kolay tanımlanması yanı sıra optik analiz teknikleri photoluminescence veya Raman spektroskopisi gibi izin vermek için bir cam pencere aşağıda oturuyor.

İki boyutlu bazı malzemeler hava hassas olmanın yanı sıra, aynı zamanda çünkü tipik mekanik pul pul dökülme yöntemiyle ince pul pul pul zordur bir nispeten yüksek bölünme enerji, nispeten zayıf uçak-tahvil veya her ikisi. CVD büyüme^14,15, sıvı eksfoliyasyon¹⁶veya altın aracılı pul pul dökülme^17,18 gibi diğer yöntemleri ince tabakalar üretmek için geliştirilmiştir ancak daha az saf flakes neden olabilir ve yalnızca belirli malzemeler çalışır. Pul pul dökülme grafen yüksek sıcaklıklardaki, en az bir on yıl¹⁹büyük pul üretmek bilinmektedir rağmen bu teknik kantitatif son zamanlarda grafen ve bı₂Sr₂CaCu₂ için karakterize O_x ²⁰pul. Burada, pul pul dökülme verim siyah fosfor, pul pul Rootkitler zordur bir malzeme için de bu sıcak pul pul dökülme geliştirir göstermek. Bu teknik, bir hermetik transfer hücre ile birlikte pul pul dökülme ve hava hassas, iki boyutlu malzemelerin analizi kolaylaştırır.

Protokol

1. 2-B malzeme sıcak pul pul dökülme

Not: Bu yordam bir torpido içinde yapılır.

1. Teyp hazırlık
   1. Bir boy kesme kaset ( Tablo malzemelerigörmek) ≈5-10 cm uzunluğunda ve ≈2 cm genişliğinde o. Bu yapışkan tarafı yukarı çalışma alanı üzerinde yerleştirin. Kaset daha kolay kullanım için biter fold.
   2. Cımbız kullanarak, istenen malzeme mevduat yaklaşık dörtte biri yolun aşağı bant uzunluğu malzeme teyp art arda basarak.
   3. Daha fazla malzeme kaseti ikiye katlanır, kendisine yapışmasını ve böylece malzeme en az 1 cm²bir alanı kaplamaktadır ayrı çekerek dağıtın. Malzemesine bağlı olarak bu çok kere tekrarlayın: 1 - 2 defa siyah fosfor ya da birkaç kez grafit veya altıgen bor nitrit.
2. Numune hazırlama
   1. İstenen yöntemi kullanarak, karbür uçlu bir katip gibi cips deneme için ≤1 cm genişliğinde uygun içine bir oksitlenmiş silikon gofret veya istenen diğer substrat ayırmak. Fişleri aseton, isopropanol (IPA) tarafından takip 2 min için sonicating tarafından (biz 12 W kullanılır) nispeten düşük güçte temiz. Cips N₂ile kuru havaya.
   2. Hazır bant kullanarak, bırakılmış materyalin substrat üzerine bastırın. Bir başparmak ile firma basınç uygulayın veya malzeme mümkün olduğu kadar çip rehber cımbız ile hafifçe basın
   3. Substrat (substrat tarafı aşağı) kasetle bir ocağın 2 min için 120 ° C'de yerleştirin.
   4. RT için serin ve dikkatli bir şekilde banttan çıkarın substrat izin. Aseton teyp artıklarını çıkarın 20 dk bekletin. IPA ile 30 s ve kuru belgili tanımlık substrate azot ile yıkayın. Şekillendirme bir gaz TAV gibi malzemesine bağlı olarak daha fazla temizlik için seçenekleri mevcut olabilir.

2. hermetik transfer hücre inşaat, işletme ve bakım

1. İnşaat
   1. Hücre (Şekil 2) (Biz alüminyum kullanılan) istenen malzemeden inşa. 30 mm çapında ve 17.6 mm ne zaman yumuk uzun boylu olduğunu. Fabrikasyon çizimleri http://churchill-lab.com/useful-things kullanılabilir.
   2. Bankası 16,2 mm ile ¾ - dişli bir yükseltilmiş örnek platform ile uzun boylu yapmak hava deliği olan 10 konu konu kesti. Kap Bankası buluştuğu yerde bir iç metin bir O-ring için yapmak (bkz. Tablo malzeme).
   3. Cap 8,6 mm Merkezi aracılığıyla kadın konu eşleme ile uzun boylu olun.
   4. Kap bir 24 mm çap x 0,1 mm kalınlığında coverglass pencere (burada, borosilikat cam) karşılamak için 0.2 mm tarafından ara.
   5. Vakum yağ az miktarda O-ring tüm kenarlara Uygula ve temel iç metin bırakın.
   6. Cep kapağı penceresine yapıştırılması önce aseton ve herhangi bir yağ veya işleme işleminin yaptı enkaz kaldırmak için IPA kap temiz.
   7. Pencerenin epoksi kullanarak hücre cap için takın. Epoksi üreticinin belirtimlerine göre iyice karıştırın. Burada, A ve B bölümleri bir 1:1.8 oranı ağırlık tarafından birleştirilir.
   8. Gömme alan kap üzerine epoksi az miktarda uygulamak ve çevresinde mümkün olduğunca eşit olarak yayılır.
   9. Bir 0,1 mm kalınlığında, 24 mm çap coverglass (Bu durumda borosilikat cam) ara getirin ve yavaşça epoksi basın. Pencere ile kap üst düzey olduğundan emin olun ve bu orada epoksi yok kabarcıkları vardır.
   10. Böylece hiçbir şey kap yüzeyinden dışarı çıkar kadar herhangi bir ilave epoksi silin. Epoksi saat oda sıcaklığında reçete üretici için tedavi sağlar.
2. İşlemi
   Not: Bu yordam bir torpido içinde yapılır.
   1. İstediğiniz yöntemle yapıştırmayın hücre Bankası için hazırlanmış bir örnek (çift taraflı bant, yapıştırıcı, vb.). Hücre örnekleri 1 cm genişliğinde ve 0.7 mm kalınlıkta, yapıştırıcı dahil olmak üzere kadar karşılamak için tasarlanmıştır.
   2. Kaidenin üzerine kapağı sıkıca vidala. Bu kap ve Bankası arasında bir mühür O-ring sıkıştırarak yapar. Transfer hücre içindeki basınç ortam basıncı yukarıda 3 mbar geçmediği emin olun.
   3. Örnek pencerenin altında oturur kontrol edin. Örnek artık torpidoda güvenli bir şekilde kaldırılabilir.
3. Pencereyi tamir
   1. Cımbız kullanarak, sıkıca epoksi için yapıştırılmış değil herhangi bir kırık cam kaldırın. Böylece epoksi altında maruz ne cam (bir karbür uçlu katip veya başka bir yöntemi kullanarak) kalır kadar break.
      Dikkat: kırık cam çıkarırken eldiven ve göz koruma giymek.
   2. Epoksi yumuşatır ve kap ayırmak başlar kadar kapağı aseton ve trichloroethylene (TCE) için 1-2 h veya 50: 50 karışımda bekletin. IPA durulama için 30 s.
   3. Herhangi bir gevşek epoksi soyma ve kalan epoksi bir tıraş bıçağı ile yüzeyden kazımak. Kap yüzeyine zarar vermemesi için dikkat ediniz. Gerekirse önceki adımı yineleyin.
   4. Yüzey herhangi bir epoksi kalıntısı temiz olana gömme alanı aseton ile fırçalayın. Hücre pencere şimdi yukarıda belirtilen adımları izleyerek değiştirilebilir.

3. örnek kullanımları transfer hücre

1. Optik analiz
   1. Pul görüntüleme için transfer mikroskop altında yerleştirin. Hücrenin herhangi bir geleneksel mikroskopla kullanılabilir. Netleme yaparken kırılgan dul hedefi çökmesine değil dikkatli olun.
   2. Malzeme pul bulmak için istenen yöntemi ile devam edin.
2. Polarize Raman spektroskopisi
   1. Polarizasyon çözüldü Raman spektroskopisi için bir lazer nokta için bir pul ilgi hizalayın. Bu durumda biz 633 nm dalga boyunda ve 50 µW güç ve 100 x objektif lens kullanın. Siyah fosfor için düşük lazer güç için pul zarar görmesini önlemek için gereklidir.
   2. Bir yarı-dalga tabak kullanmakta, polarizasyon açısını farklılık gösterir.

Sonuçlar

İki boyutlu malzemeleri peeling amacı atomik ince tabakalar izole etmektir. Pul pul dökülme işlemi sırasında pul pul monolayers olmak biraz gevreği için küçük bir olasılık ile değişen kalınlıklarda geride bırakarak toplu kristal ayırmak. Yoğunluk ve tüm pullu flakes boyutunu artırarak, sıcak pul pul dökülme yoğunluğu ve yanal ince flakes boyutunu artırır. Bu yüzey ile yakın yapar malzeme alan artırarak gerçekleştirilir. Gazlar tuzağa malzeme ve yüzey temas iken, Isıtma sırasında genişletin ve pul altından dışarı itti. Kapana kısılmış gaz malzeme böylece pullu pul (Şekil 1A,B) miktarını artırarak substrat ile yakın temas haline gelir daha fazla açıkça anlatıldığı Ref 20 izin verir. Vücut siyah fosfor 90 nm kalın SiO₂silikon yongaları üzerinde tipik mekanik pul pul dökülme ve sıcak pul pul dökülme tekniği kullanılarak yapıldı. 1 cm x 1 cm silikon yonga üzerinde bırakılmış materyalin Ümumi sahəsi ölçerek, bu görülebilir (Şekil 1 c) sıcak o pul pul dökülme mevduat 6 - 10 kat daha fazla malzeme olabilir. Biz Deneyimlerimize göre diğer malzemeleri sıcak pul pul dökülme grafen, altıgen bor nitrit, siyah fosfor, MnPSe₃ve WSe₂de dahil olmak üzere, takip polikarbonat kullanarak HF temizlenmiş yüzeylerde alınabilir olduğunu unutmayın. 10:1 HF:water çözüm SiO₂ yüzeylerde 15 s dönemde temizlemek için kullanılır. Not, bu işlem bizim yüzeylerde 6 tarafından etches bu yüzden % 10 HF SiO₂ 23 nm/dk²¹ , oranında etches nm.

Biz şimdi hermetik transfer hücre (Şekil 3A) etkinliğinin bir inert atmosfer bir torpido kaldırılır korumada düşünün. CRI₃ hidrasyon için özellikle hassas ve saniye içinde alçaltır hava (şekil 3D) maruz kaldığında. Bir aktarım hücre içindeki ancak, pullu bir CRI₃ örnek için 15 saat (Şekil 3B) aynı kaldı ve sadece bozulması (kabarcık) 24 saat (Şekil 3 c) sonra belirtileri göstermeye başladı. Hasar çok küçük bir ölçekte gözlemlemek süre optik büyük olasılıkla bu sonuçlar göstermek burada açıklanan hermetik transfer hücre örnek bozulma hızı en az üç büyüklük yavaşlatır daha kısa bir zaman ölçeği üzerinde oluşur (saat karşılaştırıldığında hücre içindeki saniye ile) dışında ki.

Hava duyarlı malzemelerin optik analizi için transfer hücre kullanımını göstermek için biz Raman spektroskopisi polarizasyon çözülmüş bir nispeten kalın üzerinde gerçekleştirilen (> 50 nm) pul siyah fosfor (Şekil 4A). Spectra 50 µW lazer uyarma 632.8 kullanarak satın alınan nm 100 x objektif lens ile. Bir yarı-dalga tabak uyarma ışın kutuplaşma döndürmek için kullanıldı. Şekil 4B', üç Raman doruklarına 466 civarında, kan basıncı gözlemlenebilmektedir_g², B_{2 g} ve_g¹ titreşim modları için polarizasyon ne olursa olsun, sırasıyla, karşılık gelen 438 ve 361 cm^{– 1}, hangi toplu BP kristalleri uyarma ve z ekseni boyunca koleksiyonu içinde önceki gözlemleri ile de kabul eder. ^{5 , 22} tepe pozisyonları ile polarizasyon açısını farklı değil. Ancak, bu üç modları göreli yoğunluklarda önemli ölçüde olay ışık polarizasyon ile değiştirin. Titreşim modu uyarma lazer polarizasyon ile en güçlü yoğunluk değişimi Şekil 4B',C, gösterildiği gibi sahip bir_g², koltuk yön boyunca atomik motion ile ilişkilidir. Bu nedenle, daha önce bildirilen⁵, bu titreşim modu BP kristal koltuk yönünü belirlemek için etkili bir yöntem sağlar ve bu nedenle kristal yönlendirme. Şekil 4 c, Raman yoğunluğu 26.5 ° ve 206.5 ° mikroskop Albümdeki tanımlanan X ve Y eksenleri ile ilgili olarak yer alan bir tam dönüş içinde iki maxima gösterir ve BP koltuk yönü 26.5 ° Bu pul için odaklı olduğu sonucuna . Yöntemleri kristal yönlendirme ve diğer özelliklerini belirlemek için kullanılan benzer optik spektroskopisi katman sayı olarak ya da optik boşluğu, diğer hava duyarlı 2B malzemeler için Grup.

Resim 1 : Dağıtım malzeme bir oksitlenmiş silikon çip. (A)siyah fosfor oda sıcaklığında Bakımı tipik örneği. (B) tipik örnek siyah fosfor 120 ° C'de Bakımı (C) Histogram Oda temperature(cold) ve sıcak pul pul dökülme kullanarak pullu siyah fosfor alanının. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız. 

Resim 2 : Transfer hücre. (A)resmi ayrı kap ve baz gösterilen bir hermetik transfer hücre. (B) şeması transferini çizim. Vantilatör (yeşil) konu kesilir. Baz istasyonunun alt vurdu ve montaj için dişli unutmayın. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 3 : Transfer pul bozulması hücre bastırılması. (A)taze CRI₃ ' te bir transfer hücre (B) CRI₃ ' te bir hücre 15 h. (C) CRI₃ hücrede sonra sonra 24 h hidrasyon balon bu noktada görülebilir. (D) CRI₃ ' te hava transferi hücre ve 30 24 saat sonra hava s. Geniş alanlar su CRI₃ pul kenarlarında toplanmıştır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Şekil 4 : Kristal yönlendirme tanımlama. (A)optik test pullu BP. (B) polarizasyon çözüldü Raman spektroskopisi kalın BP pul, kalın pul. (C) kutup Arsa Raman yoğunluk (B) spektral Aralık üzerinde ortalama doğrusal uyarma polarizasyon açısını bir fonksiyonu olarak (Arsa kökenli ise sıfır yoğunluğu). Kötü bir sinüs fonksiyonu artı bir sabit değil. Kesikli çizgi koltuk yönünü gösterir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Tartışmalar

Sıcak pul pul dökülme bozulmamış ince ince tabakalar da birçok downfalls alternatiflerin kaçınırken üretmek için tipik mekanik pul pul dökülme yeteneğini korur. Tipik mekanik pul pul dökülme gibi bu teknik malzeme küçük bir alt için sınırlı değildir. Sıcak pul pul dökülme malzeme Isıtma inert bir ortamda 2 min için 120 ° c'in tolerans göstereceği sürece oda sıcaklığında mekanik pul pul dökülme kullanarak Bakımı herhangi bir malzeme için uygulanır. Biz de²⁰ gösterilmiştir olduğunu unutmayın Isıtma zaman ve sıcaklık (100 ° C) üzerindeki yonga yoğunluğu göze çarpan herhangi bir fark yapmazlar. Artan kişi ile birlikte ortalama pul büyüklük belgili tanımlık substrate ve pul arasında bağ gücü artırarak da geliştirilebilir. Bunu yapmanın bir yolu O₂ plazma ile belgili tanımlık substrate davranarak olurdu ama bu da zor ya da imkansız heterostructure imalat²⁰gerektiren aygıtlar kullanmak için almak pul yapar.

Transfer hücre herhangi bir uygun metalden oluşturulması. Biz bu makineye kolaydır ama TCE (Epoksi kaldırmak için kullanılır) unstabilized, ısıtmalı veya su ile karışık alüminyum için aşındırıcı unutulmamalıdır çünkü alüminyum kullanılır. Paslanmaz çelik daha dayanıklı ve daha az reaktif TCE ile olur. Ancak, biz bu yöntemi kullanarak RT. herhangi bir aşındırıcı etkisi görmedim Ne zaman yumuk, pencerenin alt üst tabanının yukarıda 0.8 mm öyle ki, görüntüleme ve çözümleme ile yüksek sayısal diyafram hedefleri için transfer hücrenin yapıdır. 0,5 mm kalınlığında substrat ve 0,1 mm kalın yapıştırıcı ile örnek 0.3 mm aşağıda aktarım hücrenin üstüne oturur. Görüntüleme ve çözümleme yüksek büyütme ve nispeten kısa çalışma mesafe hedefleri ile bu yakınlık sağlar. Pullu malzeme açıkça görülebilir 5, 20, 50 kez büyütme ince pul kolay tanımlanması için izin. Yüksek büyütme oranlarında küresel pencerenin yanında önemli ölçüde neden aberasyonları görüntü kalitesi düşer. Örnek substrat az 0,7 mm kalınlığında koşuluyla, var. riski hücre sıkma üzerinden Ne zaman kapağı aşağı mahvoldu, aşırı gaz iş parçacıklarındaki havalandırma yoluyla okuldan. Aşamasında, havalandırmaya tam yerini önemli değil ama bu örnek, vakum yağ veya başka bir şey ile engel değil ki önemlidir. Havalandırmaya kırılgan 0,1 mm kalın pencere ne zaman kapağı aşağı mahvoldu dolarkomisyon nedeniyle kırma engeller. Pencere sadece birkaç mbar basınç değişiklikleri dayanabilir.

Transfer hücreleri için kullanılan coverglass pencere borosilikat camdan yapılmış ama dalga boylarında dışında optik analiz için kullanım yakın kızılötesi, diğer pencere malzemeleri için görünür olabilir. En iyi görüntüleme için cam pencere yüklerken özen gösterilmelidir. Düzgün oturmuş değil, örnek ve pencere arasındaki mesafe beklenenden daha büyük olabilir. Özellikle küçük çalışma mesafe amaçları için bu içine çökmesine ve camı kırmak için hedefi neden olabilir. Ayrıca, bazı kullanırdı daha hızlı daha yüksek sıcaklıklarda tedavi edecek, ama metaller ve cam farklı termal genleşme katsayıları olmadığından, dul geri oda sıcaklığında soğutma sonra deforme. Epoksi aynı sıcaklıkta (yani, hücre oda sıcaklığında kullanılacaksa) hangi o kullanılacak tedavi edilmelidir, epoksi ayrıca oda sıcaklığında tedavi edilmelidir.

Malzemeler

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