Name: exfoliation and analysis of large-area, air-sensitive two-dimensional materials
Uploaded: 2019-01-05T13:00:00
Duration: 10 min 18 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Exfoliation and Analysis of Large-area, Air-Sensitive Two-Dimensional Materials at JoVE.com

Dit werk werd gesteund door de NSF award nummer DMR-1610126.

1. hete afschilfering van 2D-materialen
Opmerking: Deze procedure wordt gedaan binnen een ' glovebox '.
<ol><li>
Voorbereiding van de tape
	<ol>
<li>Knip een lengte van tape (Zie Tabel van materialen) dat is ≈5-10 cm lang en ≈2 cm breed. Plaats het, kleverige kant boven, op het werkgebied. Vouw de uiteinden van de tape voor gemakkelijker behandeling.</li>
		<li>Met pincet, stort het gewenste materiaal ongeveer een kwart van de weg naar beneden de lengte van de band door herhaaldelijk op het materiaal in de tape.</li>
		<li>Verder distribueert het materiaal de tape doormidden vouwen, steken zij aan zichzelf en het uit elkaar trekken, zodat het materiaal een oppervlakte van ten minste 1 cm2 heeft. Afhankelijk van het materiaal, herhaal dit meerdere malen: 1 - 2 keer voor zwarte fosfor, of meerdere keren voor grafiet of zeshoekig boornitride.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Bereiding van de monsters
	<ol>
<li>Gebruik de gewenste methode, zoals een hardmetaal schrijver, klieven een geoxideerde silicium wafer of andere gewenste substraat in chips geschikt voor het experiment, ≤1 cm breed. Reinig de chips door sonicating gedurende 2 min. in aceton, gevolgd door isopropanol (IPA), bij relatief lage vermogen (wij gebruikten 12 W). Blaas de droog met N2chips.</li>
		<li>Met behulp van de bereid tape, stevig druk op het gedeponeerde materiaal op het substraat. Toepassen van stevige druk met een duim of voorzichtig met een pincet druk op zodat het materiaal contact op met de chip zo veel mogelijk</li>
		<li>Plaats de cassette met substraat (substraat zijde naar beneden) op een kookplaat bij 120 ° C gedurende 2 minuten.</li>
		<li>Het toestaan van het substraat afkoelen tot RT en zorgvuldig verwijderen van de tape. Weken in aceton voor 20 min te verwijderen van de tape residu. Spoel met IPA voor 30 s en droog het substraat met stikstof. Afhankelijk van het materiaal, verdere opties voor het reinigen van mogelijk beschikbaar, zoals een vormende gas gloeien.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. hermetische overdracht cel bouw, exploitatie en onderhoud
<ol><li>
Bouw
	<ol>
<li>Construeer de cel (Figuur 2) uit het gewenste materiaal (wij gebruikten aluminium). Het is 30 mm in diameter en 17,6 mm hoog wanneer gesloten. Fabricatie tekeningen zijn beschikbaar op http://churchill-lab.com/useful-things.</li>
		<li>Maken van de base 16.2 mm hoog met een verhoogde monster-platform dat is schroefdraad met ¾ - 10 draden met een vent in de draden gesneden. Indien het GLB voldoet aan de basis, maken een inzet voor een O-ring (Zie Tabel van materialen).</li>
		<li>Het GLB 8.6 mm hoog met bijpassende vrouwelijke draden door het midden maken.</li>
		<li>Uitsparing van het GLB door de 0,2 mm voor een 24 mm diameter x 0,1 mm dik dekglaasje venster (hier, borosilicaat glas).</li>
		<li>Breng een kleine hoeveelheid van vacuüm vet aan de alle zijden van de O-ring en zet het in de basis inzet.</li>
		<li>Vóór het aanbrengen van het venster op het GLB van de cel, schoon het GLB in aceton en IPA te verwijderen van een olie- of puin achtergelaten door de machinale bewerking proces.</li>
		<li>Sluit het venster aan de dop van de cel met behulp van epoxy. Grondig Meng de epoxy volgens specificaties van de fabrikant. Hier, worden delen A en B gecombineerd in een verhouding van 1:1.8 van het gewicht.</li>
		<li>Breng een kleine hoeveelheid van epoxy naar het verzonken gebied in het GLB en verspreid het rond zo gelijkmatig mogelijk.</li>
		<li>Stel een 0,1 mm dik, 24 mm diameter dekglaasje (borosilicaat glas in dit geval) in de uitsparing en druk het voorzichtig in de epoxy. Zorgen dat het venster is niveau met de bovenkant van het GLB en er dat er geen luchtbellen in de epoxy.</li>
		<li>Veeg omhoog elke extra epoxy zodat niets vanaf het oppervlak van het GLB uitsteekt. Laat de epoxy te genezen voor de fabrikant voorgeschreven tijd bij kamertemperatuur.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Operatie Opmerking: Deze procedure wordt gedaan binnen een ' glovebox '.<ol>
<li>Gebruik de gewenste methode, brengt een voorbereide monster aan de basis van de cel (dubbelzijdig tape, lijm, enz.). De cel is ontworpen om geschikt voor monsters tot 1 cm breed en 0,7 mm dik, met inbegrip van de lijm.</li>
		<li>Stevig schroef de dop op de base. Dit maakt een afdichting tussen het GLB en de base door de O-ring te comprimeren. Zorg ervoor dat de druk binnen de cel overdracht niet 3 mbar boven de omgevingsdruk overschrijdt.</li>
		<li>Controleer of het monster net onder het venster zit. Het monster kan nu veilig worden verwijderd uit de ' glovebox '.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Venster herstellen
	<ol>
<li>Met pincet, Verwijder eventuele gebroken glas die niet stevig aan de epoxy is aangebracht. Breken wat glas blijft (met behulp van een scribe hardmetaal of andere methode) zodat de epoxy onder is blootgesteld. Let op: Draag handschoenen en oogbescherming bij het verwijderen van de gebroken glas.</li>
		<li>Geniet het GLB in een 50:50 mix van aceton en trichloorethyleen (TCE) gedurende 1-2 uur of totdat de epoxy verzacht en begint te scheiden van het GLB. Rinse in IPA voor 30 s.</li>
		<li>Losse epoxy afschilferen en schraap de resterende epoxy van het oppervlak met een scheermesje. Wees voorzichtig niet te beschadigen de oppervlakte van het GLB. Herhaal de vorige stap indien nodig.</li>
		<li>Schrob de verzonken gebied met aceton totdat het oppervlak schoon zijn van een residu van epoxy. De cel venster kan nu worden vervangen door de bovengenoemde stappen uit te voeren.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. voorbeeld maakt gebruik van de cel van de overdracht
<ol><li>
Optische analyse
	<ol>
<li>Voor flake imaging, plaatst u de overdracht cel onder de Microscoop. De cel kan worden gebruikt met elke conventionele Microscoop. Bij het scherpstellen, wees voorzichtig niet om de doelstelling in de kwetsbare weduwe.</li>
		<li>Ga verder met de gewenste methode voor het vinden van materiële vlokken.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Gepolariseerde Ramanspectroscopie
	<ol>
<li>Uitlijnen voor polarisatie-resolved Ramanspectroscopie, een laser plek om een vlok van belang. In dit geval gebruiken we golflengte van 633 nm en 50 μW kracht en een objectief 100 x. Voor zwarte fosfor, is lage laser macht vereist ter voorkoming van schade aan de Vlok.</li>
		<li>Met een half-golf-plaat, variëren de polarisatie-hoek.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Koenig, S. P., Doganov, R. A., Schmidt, H., Castro Neto, A. H., &#214;zyilmaz, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+field+effect+in+ultrathin+black+phosphorus.">Electric field effect in ultrathin black phosphorus.</a> Applied Physics Letters. 104 (10), 103106 (2014).</li><li>Li, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Black+phosphorus+field-effect+transistors.">Black phosphorus field-effect transistors.</a> Nature Nanotechnology. 9 (5), 372-377 (2014).</li><li>Liu, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphorene:+an+unexplored+2D+semiconductor+with+a+high+hole+mobility.">Phosphorene: an unexplored 2D semiconductor with a high hole mobility.</a> ACS Nano. 8 (4), 4033 (2014).</li><li>Wang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+anisotropic+and+robust+excitons+in+monolayer+black+phosphorus.">Highly anisotropic and robust excitons in monolayer black phosphorus.</a> Nature Nanotechnology. 10 (6), 517 (2015).</li><li>Xia, F., Wang, H., Jia, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rediscovering+black+phosphorus+as+an+anisotropic+layered+material+for+optoelectronics+and+electronics.">Rediscovering black phosphorus as an anisotropic layered material for optoelectronics and electronics.</a> Nature Communications. 5, 4458 (2014).</li><li>Castellanos-Gomez, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Isolation+and+characterization+of+few-layer+black+phosphorus.">Isolation and characterization of few-layer black phosphorus.</a> 2D Materials. 1 (2), 025001 (2014).</li><li>Island, J. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Environmental+instability+of+few-layer+black+phosphorus.">Environmental instability of few-layer black phosphorus.</a> 2D Materials. 2 (1), 011002 (2015).</li><li>Huang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interaction+of+Black+Phosphorus+with+Oxygen+and+Water.">Interaction of Black Phosphorus with Oxygen and Water.</a> Chemistry of Materials. 28 (22), 8330-8339 (2016).</li><li>Gong, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Discovery+of+intrinsic+ferromagnetism+in+two-dimensional+van+der+Waals+crystals.">Discovery of intrinsic ferromagnetism in two-dimensional van der Waals crystals.</a> Nature. 546 (7657), 265 (2017).</li><li>Huang, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Layer-dependent+ferromagnetism+in+a+van+der+Waals+crystal+down+to+the+monolayer+limit.">Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit.</a> Nature. 546 (7657), 270 (2017).</li><li>Lado, J. L., Fern&#225;ndez-Rossier, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+origin+of+magnetic+anisotropy+in+two+dimensional+CrI3.">On the origin of magnetic anisotropy in two dimensional CrI3.</a> 2D Materials. 4 (3), 35002 (2017).</li><li>Li, X., Yin, J., Zhou, J., Guo, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+area+hexagonal+boron+nitride+monolayer+as+efficient+atomically+thick+insulating+coating+against+friction+and+oxidation.">Large area hexagonal boron nitride monolayer as efficient atomically thick insulating coating against friction and oxidation.</a> Nanotechnology. 25 (10), 105701 (2014).</li><li>Liu, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrathin+high-temperature+oxidation-resistant+coatings+of+hexagonal+boron+nitride.">Ultrathin high-temperature oxidation-resistant coatings of hexagonal boron nitride.</a> Nature Communications. 4, 2541 (2013).</li><li>Li, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-Area+Synthesis+of+High-Quality+and+Uniform+Graphene+Films+on+Copper+Foils.">Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils.</a> Science. 324 (5932), 1312-1314 (2009).</li><li>Sutter, E. A., Flege, J. I., Sutter, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Epitaxial+graphene+on+ruthenium.">Epitaxial graphene on ruthenium.</a> Nature Materials. 7 (5), 406-411 (2008).</li><li>Lotya, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-yield+production+of+graphene+by+liquid-phase+exfoliation+of+graphite.">High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite.</a> Nature Nanotechnology. 3 (9), 563-568 (2008).</li><li>Magda, G. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exfoliation+of+large-area+transition+metal+chalcogenide+single+layers.">Exfoliation of large-area transition metal chalcogenide single layers.</a> Scientific reports. 5, 14714 (2015).</li><li>Desai, S. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold-Mediated+Exfoliation+of+Ultralarge+Optoelectronically-Perfect+Monolayers.">Gold-Mediated Exfoliation of Ultralarge Optoelectronically-Perfect Monolayers.</a> Advanced materials (Deerfield Beach, Fla). 28 (21), 4053-4058 (2016).</li><li>Williams, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electronic transport in graphene: p-n junctions, shot noise, and nanoribbons. , (2009).</li><li>Huang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliable+Exfoliation+of+Large-Area+High-Quality+Flakes+of+Graphene+and+Other+Two-Dimensional+Materials.">Reliable Exfoliation of Large-Area High-Quality Flakes of Graphene and Other Two-Dimensional Materials.</a> ACS Nano. 9 (11), 10612-10620 (2015).</li><li>Williams, K. R., Muller, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Etch+rates+for+micromachining+processing.">Etch rates for micromachining processing.</a> Journal of Microelectromechanical Systems. 5 (4), 256-269 (1996).</li><li>Ribeiro, H. B., Pimenta, M. A., de Matos, C. J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+spectroscopy+in+black+phosphorus.">Raman spectroscopy in black phosphorus.</a> Journal of Raman Spectroscopy. 49 (1), 76-90 (2018).</li></ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Hete afschilfering behoudt het vermogen van typische mechanische afschilfering te produceren van ongerepte dunne schilfers terwijl ook het vermijden van veel val van alternatieven. Zoals typisch mechanische afschilfering is deze techniek niet beperkt tot een kleine ondergroep van materialen. Hete afschilfering kan worden toegepast op elk materiaal dat kan worden geëxpandeerd met kamertemperatuur mechanische afschilfering, zolang het materiaal verwarming tot 120 ° C gedurende 2 min. in een inerte atmosfeer tolereert. We stellen ook vast dat het20 heeft aangetoond dat de verwarmingstijd- en temperatuurdisplays (boven 100 ° C) Maak niet een merkbaar verschil in dichtheid van de Vlok. Samen met meer contacten, kan gemiddelde vlok grootte ook worden verbeterd door het verhogen van de sterkte van de band tussen de ondergrond en de vlokken. Een manier om dit te doen zou door de behandeling van het substraat met O2 plasma maar dit zou ook de vlokken moeilijk of onmogelijk te halen voor gebruik op apparaten waarvoor heterostructure fabricage20.
De overdracht-cel kan worden geconstrueerd uit elk geschikt metaal. Wij gebruikte aluminium omdat het is gemakkelijk om de machine maar opgemerkt moet worden dat TCE (gebruikt voor het verwijderen van epoxy) is corrosief voor aluminium als unstabilized, verwarmd of gemengd met water. Roestvrij staal zou meer duurzaam en minder reactieve met TCE. Echter hebben we niet gezien elke bijtende effecten met behulp van deze methode op RT. Voor beeldbewerking en analyse met hoge numerieke diafragma doelstellingen is constructie van de cel van de overdracht zodanig dat wanneer gesloten, de onderkant van het venster 0.8 mm boven de top van de base is. Met een 0,5 mm dikke ondergrond en 0.1 mm dikke lijm zit het monster 0.3 mm onder de bovenkant van de cel van de overdracht. Deze nabijheid zorgt voor imaging en analyse met hoge vergroting en relatief korte werken afstand doelstellingen. Geëxpandeerd materiaal duidelijk kan worden gezien op 5, 20, 50 keer vergroting toe te staan voor gemakkelijke identificatie van dunne schilfers. Bij hogere vergrotingen, sferische aberraties veroorzaakt door het venster aanzienlijk degradeert de beeldkwaliteit. Voorwaarde dat het monster substraat minder dan 0,7 mm dik is, is er geen risico van over de aanscherping van de cel. Wanneer het GLB is naar beneden geschroefd, wordt overtollige gas uitgestoten door de ontluchting van de draden. Tijdens de bouw, de precieze locatie van de vent is niet belangrijk, maar het is belangrijk dat het niet wordt belemmerd door het monster, vacuüm vet of iets anders. De vent voorkomt dat het fragiele 0.1 mm dikke venster breken wegens overdruk wanneer het GLB is geschroefd naar beneden. Het venster kan alleen druk wijzigingen van een paar mbar weerstaan.
Het dekglaasje venster gebruikt voor de overdracht cellen is gemaakt van borosilicaat glas maar voor optische analyse bij golflengten anders dan zichtbaar voor nabij-infrarood, andere venster materialen kan worden gebruikt. Voor de beste beeldvorming, moet worden gewaakt bij het installeren van het glas venster. Als het niet goed zit, zou de afstand tussen het monster en het venster groter dan verwacht. Vooral voor kleine werken afstand doelstellingen, ertoe dit leiden dat de doelstelling om crash in en breken van het venster. Ook sommige epoxy's zal genezen sneller bij hogere temperaturen, maar omdat metalen en glas verschillende thermische uitzetting coëfficiënten hebben, de weduwe na afkoelen tot kamertemperatuur terug zal vervormen. De epoxy moet worden genezen bij dezelfde temperatuur waarop het zal worden gebruikt (dat wil zeggen, als de cel zal worden gebruikt bij kamertemperatuur), de epoxy moet ook bij kamertemperatuur worden genezen.

Verschillende gelaagde materialen die kunnen worden geëxpandeerd naar een atomaire enkellaags hebben belangstelling gewekt over een breed scala van velden. Onderzoek en toepassing van veel van deze materialen is echter bemoeilijkt door het feit dat ze instabiel in lucht zijn en snel oxideren of hydrate wanneer blootgesteld. Bijvoorbeeld; zwarte fosfor is een halfgeleider met afstembare directe band gap, hoge mobiliteit en anisotrope optische en elektrische eigenschappen1,2,3,4,5 , maar is instabiel in lucht en in minder dan een uur6,7 te wijten aan interacties met zuurstof8zal verslechteren. CrI3 onlangs is aangetoond dat het vertonen van tweedimensionale Ferromagnetisme9,10,11 , maar wanneer blootgesteld aan lucht, degradeert het vrijwel direct11.
Apparaten gemaakt van deze materialen kunnen worden beschermd tegen lucht door te werken in een handschoenenkast en inkapselen van hen in een chemisch inert materiaal zoals zeshoekige boron nitride12,13. Echter bij het ontwikkelen van deze apparaten, is het vaak noodzakelijk om te identificeren en analyseren van de vlokken vóór de inkapseling. Deze analyse is vereist voor het verwijderen van het monster uit het inert milieu van de ' glovebox ' of de analyseapparatuur aanbrengend de ' glovebox '. Het verwijderen van het monster, zelfs voor een korte tijd, schade risico's via oxidatie of hydratatie, terwijl de benodigde apparatuur binnen een handschoenenkast te plaatsen kan dure en lastige. Om dit te verhelpen, ontwierpen we een hermetische overdracht cel die veilig omsluit een steekproef, te houden in een inert milieu, zodat het kan worden verwijderd uit de ' glovebox '. Terwijl in de cel van de overdracht, zit een monster 0.3 mm onder een glazen venster dat gemakkelijke identificatie van vlokken onder een Microscoop alsmede het gebruik van optische analysetechnieken zoals fotoluminescentie of Ramanspectroscopie.
Sommige tweedimensionale materialen, naast het feit dat lucht gevoelige, zijn ook moeilijk te exfoliëren in dunne vlokken met de typische mechanische afschilfering methode omdat een relatief hoge decollete energie, relatief zwak in-plane obligaties, of beide. Andere methoden, zoals CVD groei14,15, vloeibare afschilfering16of gouden gemedieerde afschilfering17,18 zijn ontwikkeld voor het produceren van dunne lagen maar kan resulteren in minder dan ongerepte vlokken en alleen werken voor bepaalde materialen. Hoewel afschilfering van grafeen bij hoge temperaturen is bekend voor de productie van grote vlokken voor ten minste een decennium19, is deze techniek kwantitatief gekenmerkt onlangs voor grafeen zowel Bi2Sr2CaCu2 Ox vlokken20. Hier, we laten zien dat hete afschilfering verbetert afschilfering opbrengst ook voor zwarte fosfor, een materiaal dat is notoir moeilijk te exfoliëren. Deze techniek, samen met een hermetische overdracht-cel, vergemakkelijkt de afschilfering en analyse van lucht gevoelig, tweedimensionale materialen.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1000px;" width="1000">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:345px;">Ablestik 286 epoxy</td>
			<td style="width:279px;">Loctite</td>
			<td style="width:205px;">256 6 OZ TUBE KIT</td>
			<td style="width:172px;">air-tight epoxy</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:345px;">Acetone</td>
			<td style="width:279px;">EDM Millipore Corporation</td>
			<td style="width:205px;">67-64-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:345px;">Circular coverglass, 24 mm dia, 0 thickness</td>
			<td style="width:279px;">Agar Scientific</td>
			<td style="width:205px;">AGL46R22-0</td>
			<td>window glass</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:345px;">Dicing tape</td>
			<td style="width:279px;">Ultron systems</td>
			<td style="width:205px;">1009R</td>
			<td>exfoliation tape</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:345px;">High-Vacuum grease</td>
			<td style="width:279px;">Dow Corning</td>
			<td style="width:205px;">1597418</td>
			<td>O-ring grease</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:345px;">Isopropanol</td>
			<td style="width:279px;">VWR Chemicals</td>
			<td style="width:205px;">BDH20880.400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:345px;">Silicon wafer, 300 nm oxide</td>
			<td style="width:279px;">University Wafer</td>
			<td style="width:205px;">E0851.01</td>
			<td>flake substrate</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:345px;">Silicon wafer, 90 nm oxide</td>
			<td style="width:279px;">Nova Electronic Materials</td>
			<td style="width:205px;">HS39626-OX</td>
			<td>flake substrate</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

exfoliation and analysis of large-area, air-sensitive two-dimensional materials

We beschrijven de methoden voor de productie en het analyseren van grote, dunne schilfers van lucht-gevoelige tweedimensionale materialen. Dunne schilfers van gelaagde of van der Waals kristallen zijn geproduceerd met behulp van mechanische afschilfering, waarin lagen worden gepeld uit een kristal van de bulk met behulp van plakband. Deze methode produceert kwalitatief hoogwaardige vlokken, maar ze zijn vaak klein en moeilijk te vinden, met name voor materialen met relatief hoge decollete energieën zoals zwarte fosfor. Door het verhitten van het substraat en de tape, tweedimensionale materiële hechting aan de ondergrond wordt bevorderd, en de opbrengst van de Vlok kan worden verhoogd door tot een factor tien. Na afschilfering, is het nodig om beeld of anders analyseren deze vlokken maar sommige tweedimensionale materialen zijn gevoelig voor zuurstof of water en zal degraderen wanneer lucht blootgesteld. We hebben ontworpen en getest een hermetische overdracht cel om tijdelijk het inert milieu van een handschoenenkast zodat lucht-gevoelige vlokken kunnen worden beeld en geanalyseerd met minimale degradatie. Het compacte ontwerp van de cel van de overdracht is zodanig dat optische analyse van gevoelige materialen kan worden uitgevoerd buiten een handschoenenkast zonder speciale apparatuur of modificaties aan bestaande apparatuur.

Het doel van het scrubben tweedimensionale materialen is te isoleren van beide dunne lagen. Tijdens het proces van afschilfering scheiden vlokken van het bulk-kristal, vlokken van verschillende dikte, met een kleine kans voor sommige vlokken als monolayers achterlatend. Door het verhogen van de dichtheid en de grootte van alle geëxpandeerd vlokken, verhoogt hete afschilfering de dichtheid en de laterale grootte van dunne schilfers. Dit wordt bereikt door verhoging van het materiële gebied dat maakt nauw contact met de ondergrond. Terwijl in contact, gassen gevangen tussen het materiële en het substraat vouw tijdens verwarming en onder vlokken zijn geduwd. De verwijdering van opgesloten gas kan meer van het materiaal in nauw contact komen met de drager vervagen, waardoor de hoeveelheid geëxpandeerd vlokken (figuur 1A,B), als duidelijk uitgelegd in Ref 20. Exfoliations van zwarte fosfor werden uitgevoerd met behulp van de typische mechanische afschilfering en hete afschilfering techniek op silicium chips met 90 nm dikke SiO2. Door het meten van de totale oppervlakte van het gedeponeerde materiaal op een 1 x 1 cm silicium chip, kan het worden gezien (Figuur 1 c) die hete afschilfering deposito's 6 - 10 keer meer materiële. Wij stellen vast dat in onze ervaring andere materialen kunnen afgehaald worden uit HF-gereinigd ondergronden met polycarbonaat na hete afschilfering, met inbegrip van grafeen, zeshoekige boornitride zwarte fosfor, MnPSe3en WSe2. We een oplossing 10:1 HF:water gebruikt voor het schoonmaken van de SiO2 substraten een periode van 15 s. Opmerking, 10% HF etsen SiO2 met een snelheid van 23 nm/min21 , zodat dit proces onze substraten etsen door 6 nm.
Nu overwegen wij de effectiviteit van de hermetische overdracht cel (figuur 3A) bij het handhaven van een inerte atmosfeer wanneer verwijderd uit een ' glovebox '. CrI3 is bijzonder gevoelig voor hydratatie en degradeert binnen seconden wanneer blootgesteld aan lucht (figuur 3D). In de cel van een overdracht, echter een geëxpandeerd CrI3 monster bleef onveranderd voor 15 uur (figuur 3B) en alleen begon te vertonen tekenen van afbraak (blaasjes) na 24 uur (Figuur 3 c). Terwijl de schade op een schaal te klein observeren optisch waarschijnlijk treedt op op een kortere termijn, deze resultaten tonen aan dat de cel van de hermetische overdracht hier beschreven vertraagt de afbraak van de samplefrequentie door ten minste drie ordes van grootte (uren in de cel ten opzichte van met seconden buiten).
Om aan te tonen gebruik van de cel van de overdracht voor optische analyse van lucht-gevoelige materialen, we Ramanspectroscopie polarisatie-resolved uitgevoerd op een relatief dikke (> 50 nm) vlok van zwarte fosfor (figuur 4A). De spectra werden verkregen met behulp van 50 μW laser excitatie bij 632.8 nm met een objectief van 100 x. Een half-golf plaat werd gebruikt voor het draaien van de polarisatie van de excitatie lichtbundel. In figuur 4B, drie Raman pieken kunnen worden waargenomen in BP op rond 466, 438 en 361 cm−1, overeenkomt met eeng-2, B,2 g en eeng1 trilling modi respectievelijk, ongeacht de polarisatie, die eens goed met eerdere opmerkingen in bulk BP kristallen voor excitatie en collectie langs de z-as. 5 , 22 de piek posities niet variëren met polarisatie hoek. Echter, de relatieve intensiteiten van deze drie modi aanzienlijk veranderen invallende licht polarisatie. De vibratie-modus eeng2, die de sterkste variatie van intensiteit met de excitatie laser polarisatie, heeft zoals weergegeven in figuur 4B,C, wordt geassocieerd met de atomaire beweging langs de leunstoel richting. Daarom, als eerder gemeld5, deze trillingen-modus biedt een effectieve methode om te bepalen van de fauteuil richting van het BP kristal en daarmee de oriëntatie van de kristallen. In figuur 4C, de intensiteit van de Raman toont twee maxima binnen één volledige omwenteling, attractiepark 26,5 ° en 206.5 ° ten opzichte van de X- en Y-assen gedefinieerd in de beelden van de Microscoop, en we concluderen dat de leunstoel richting van de BP gericht op 26,5 ° voor deze vlok is . Vergelijkbare optische spectroscopie methoden kunnen worden gebruikt om te bepalen van de oriëntatie van de kristallen en andere eigenschappen, als laag getal of optische band gap, voor andere lucht-gevoelige 2D-materialen.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58693/58693fig1.jpg"> Figuur 1 : Verspreiding van materiaal op een geoxideerde silicium chip. (A) typisch voorbeeld van zwarte fosfor geëxpandeerd bij kamertemperatuur. (B) typische voorbeeld van zwarte fosfor geëxpandeerd op 120 ° C. (C) Histogram van geëxpandeerd zwarte fosfor gebied met behulp van kamer temperature(cold) en hete afschilfering. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58693/58693fig1large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a> 
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58693/58693fig2.jpg"> Figuur 2 : Overdracht cel. (A) afbeelding van een cel van de hermetische overdracht met aparte GLB en base. (B) Schematische tekening van de overdracht. Een vent (groen) wordt gesneden in de draden. Merk op dat de bodem van het voetstuk is getikt en schroefdraad voor montage. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58693/58693fig2large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58693/58693fig3.jpg"> Figuur 3 : Transfer van cel onderdrukking van aantasting van de Vlok. (A) verse CrI,3 in een overdracht (B) CrI,3 in een cel cel na 15 h. (C) CrI3 in een cel na 24 uur hydratatie blaren op dit punt kan worden gezien. (D) CrI3 in lucht na 24 h in de cel van de overdracht en 30 s in lucht. Grote gebieden van gehydrateerd CrI3 hebben verzameld op de randen van de Vlok. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58693/58693fig3large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58693/58693fig4.jpg"> Figuur 4 : Kristallijne oriëntatie identificatie. (A) optische opname van dikke vlokken van geëxpandeerd BP. (B) polarisatie-resolved Ramanspectroscopie voor een dikke BP flake. (C) Polar plot van Raman intensiteit gemiddeld over de spectraal bereik in (B) als een functie van lineaire excitatie polarisatie hoek (perceel oorsprong is nul intensiteit). De pasvorm is een sinus-functie plus een constante. De stippellijn geeft de leunstoel richting. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58693/58693fig4large.jpg" target="_blank">Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Exfoliation and Analysis of Large-area, Air-Sensitive Two-Dimensional Materials at JoVE.com

Exfoliation and Analysis of Large-area, Air-Sensitive Two-Dimensional Materials

Afschilfering en analyse van groot-gebied, Air-gevoelige tweedimensionale materialen

Een methode voor exfoliërende grote dunne schilfers van lucht gevoelige tweedimensionale materialen en veilig te vervoeren voor analyse buiten een ' glovebox ' wordt gepresenteerd.

We describe methods for producing and analyzing large, thin flakes of air-sensitive two-dimensional materials. Thin flakes of layered or van der Waals ...

Dit protocol toont methoden voor het scrubben van grote dunne vlokken luchtgevoelige tweedimensionale materialen. En veilig vervoeren ze voor analyse buiten een handschoenenkastje. Werken in een handschoenenkastje, maak een lengte van tape die is ongeveer vijf tot 10 centimeter lang, en ten minste twee centimeter breed.Plaats het plakkerig op het werkgebied. Vouw de uiteinden op om het gemakkelijker te hanteren. Met behulp van een pincet, deponeren het gewenste materiaal ongeveer 1/ 4 van de weg naar beneden de lengte van de tape.Door het herhaaldelijk op de tape te drukken. Verdeel het materiaal verder door de tape doormidden te vouwen, aan zichzelf te plakken en uit elkaar te trekken. Zodat het materiaal een oppervlakte van ten minste een vierkante centimeter beslaat.Begin met een substraat gesneden in vierkante chips minder dan een centimeter aan een kant. Druk met de geprepareerde tape het gedeponeerde materiaal stevig op het substraat. Breng stevige druk met uw duim of druk voorzichtig met een pincet.Het materiaal neemt zoveel mogelijk contact met de chip. Plaats de tape en substraat met substraat kant naar beneden op een hete plaat op 120 graden Celsius gedurende twee minuten. Laat het substraat afkoelen.Verwijder het vervolgens voorzichtig van de tape. Hete peeling laat meer taperesten achter dan ruimtetemperatuur exfoliatie. Maar het grootste deel van het residu kan worden verwijderd door 20 minuten in aceton te weken.Gevolgd door 30 seconden in isopropyl alcohol. De transfercel is gemaakt van een metalen dop en basis. Het is 30 millimeter breed, en wanneer gesloten is slechts 17,6 millimeter hoog.De basis heeft een verhoogd monsterplatform dat in de dop wordt getrokken. Deze groef gesneden in de draden is een vent die voorkomt dat de cel venster breken wanneer de dop naar beneden wordt geschroefd. Let op, waar de dop voldoet aan de basis is er een inzet voor een O-Ring.En de dop is verzonken voor een dun glazen deksel venster. Een luchtdichte afdichting wordt gemaakt door een Viton O-Ring zittend in de basis van de cel. Breng een kleine hoeveelheid vacuümvet aan op alle kanten van de O-Ring.En zet het op zijn plaats. Reinig voordat u het venster aan de dop van de cel bevestigt, de dop in aceton en isopropylalcohol om olie of vuil te verwijderen die door het bewerkingsproces wordt achtergelaten. Het venster kan nu worden bevestigd aan de cel dop met behulp van epoxy.Meng de epoxy grondig volgens de specificaties van de fabrikant. In dit geval worden de delen A en B gecombineerd in een gewichtsverhouding van één tot 1,8. Breng een kleine hoeveelheid epoxy aan op het verzonken gebied op de dop en verdeel het zo gelijkmatig mogelijk.Laat het glazen raam voorzichtig in de uitsparing vallen en druk het voorzichtig in de epoxy. Zorg ervoor dat het venster is niveau met de bovenkant van de dop, en dat er geen bellen in de epoxy. Tot slot, veeg eventuele extra epoxy, zodat er niets uitsteekt van het oppervlak van de dop.Laat de epoxy te genezen voor de tijd voorgeschreven door de fabrikant bij kamertemperatuur. Breng met de gewenste methode een voorbereid monster aan op de celbasis. Voor het sluiten van de cel moet de druk in het handschoenenkastje minder dan drie millibar boven de omgevingsdruk zijn.Anders breekt het glas wanneer het uit het handschoenenkastje wordt verwijderd. Schroef de dop stevig op de basis totdat de dop en de basis elkaar ontmoeten. Controleer of het monster net onder het venster zit.Het monster kan nu veilig uit het handschoenenkastje worden verwijderd voor analyse. Om een gebroken raam te repareren, zet je een veiligheidsbril en nitrilhandschoenen op en verwijder je gebroken glas dat niet stevig op de epoxy is aangebracht. Breek wat glas overblijft, zodat de epoxy eronder wordt blootgesteld.Werken in een rookkap, weken de dop in een 50/50 mengsel van aceton en trichloorethyleen voor een tot twee uur. Totdat de epoxy verzacht en begint te scheiden van de dop. Haal de dop van de aceton, trichloorethyleenmengsel en spoel af met isopropylalcohol.Pel losse epoxy af en schraap de resterende epoxy van het oppervlak met een scheermesje. Zorg ervoor dat het oppervlak van de dop niet beschadigd wordt. Herhaal indien nodig de vorige stap.Schrob het verzonken gebied met aceton totdat het oppervlak schoon is van eventuele epoxyresidu. Het celvenster kan nu worden vervangen na de bovengenoemde stappen. De cel kan onder een microscoop worden geplaatst om vlokken te identificeren.Let er bij het scherpstellen op dat u het doel niet in het venster laat crashen door boven het brandpunt te beginnen en het podium naar beneden te verplaatsen. Geëxfolieerd materiaal is duidelijk te zien bij een vergroting van vijf, 20 en 50 keer. Zorgen voor een eenvoudige identificatie van dunne vlokken.Bij hogere vergrotingen degradeert sferische aberratie veroorzaakt door het venster de beeldkwaliteit aanzienlijk. Met behulp van onze transfercel is het ook mogelijk om verschillende soorten optische metingen van luchtgevoelige tweedimensionale materialen uit te voeren. Als laatste voorbeeld bepalen we de kristaloriëntatie van een zwart fosformonster met behulp van Polarisatie Opgeloste Raman Spectroscopie.Voor Polarisatie Resolved Raman Spectroscopy lijn een laser plek om een vlok van belang. In dit geval gebruiken we 633 nanometer golflengte, en 50 microwatt vermogen. En een 100 keer vergroting Objective Lens.Voor zwarte fosfor is een laag laservermogen nodig om schade aan de vlok te voorkomen. Raman Spectra worden geregistreerd als een functie van polarisatiehoek. Die gevarieerd is met behulp van een halve golf plaat.Het doel van hete peeling is om veel grote vlokken te produceren. Daardoor verhoogt de kans op het vinden van zeer dunne vlokken. Ter vergelijking: de panelen A en B vertonen typische zwarte fosforexfoliaties bij kamertemperatuur en bij 120 graden Celsius.Het is meteen duidelijk dat de vlok dekking in paneel B is vele malen die van paneel A.Panel C toont de totale oppervlakte van geëxfolieerd materiaal op zes verschillende een vierkante centimeter silicium chips, voor zowel kamertemperatuur en hete exfoliatie. Hot exfoliatie resulteert in zes tot tien keer de hoeveelheid materiaal wordt afgezet op de chip. Met behulp van onze transfercel kan de levensduur van luchtgevoelige tweedimensionale materialen sterk worden verlengd.Monsters die binnen enkele minuten in de lucht zouden degraderen, kunnen enkele uren duren. Zo tonen panelen A tot en met C aan dat chroomtriiodide dat buiten het handschoenenkastje in de overdrachtscel is opgeslagen, tot 15 uur lang geen zichtbare tekenen van afbraak vertoont. Paneel D toont aan dat dit extreem luchtgevoelige materiaal binnen enkele seconden hydrateert, wanneer het wordt blootgesteld aan de omgevingsatmosfeer.Ten slotte gebruikten we Raman Spectroscopie om de kristaloriëntatie van een vlok van zwarte fosfor bewaard in een overdrachtscel te bepalen. Met de laserspot uitgelijnd op de dikke zwarte fosforvlok in het midden van paneel A, wordt Raman Spectra gemeten als een functie van laserpolarisatie van nul tot 360 graden. Zoals blijkt uit paneel B.Drie pieken die typisch zijn voor zwarte fosfor worden waargenomen bij ongeveer 361, 438 en 466 golfnummers.We zien dat de piekintensiteiten sterk moduleren met polarisatiehoek. Paneel C toont de geïntegreerde intensiteit van de A2G-piek versus polarisatiehoek. Dat is maximaal 26,5 graden.Omdat deze modus overeenkomt met trillingen in het vliegtuig langs de fauteuilrand van zwarte fosfor, is het het meest intens voor polarisatie parallel aan de fauteuilrichting. We concluderen daarom dat de fauteuilrichting van deze vlok is georiënteerd op 26,5 graden ten opzichte van het beeld in paneel A.As in vergelijking met ruimtetemperatuur exfoliatie, hete peeling produceert grotere hoeveelheden grote vlokken. Door het behoud van de inerte atmosfeer van een handschoenenkastje maakt onze hermetische transfercel het mogelijk om dunne vlokken luchtgevoelige tweedimensionale materialen te isoleren en optisch te karakteriseren, zonder dat analytische apparatuur in het handschoenenkastje moet worden ondergebracht.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals

Gezaaide Synthese van CdSe / CdS Rod en Tetrapod nanokristallen

We demonstrate a method for the synthesis of multicomponent nanostructures consisting of CdS and CdSe with rod and tetrapod morphologies. A seeded ...

Exfoliation of Egyptian Blue and Han Blue, Two Alkali Earth Copper Silicate-based Pigments

Afschilfering van de Egyptische Blauw en Han Blauw, Twee Alkali Aarde Koper silicaat-gebaseerde Pigmenten

In a visualized example of the ancient past connecting with modern times, we describe the preparation and exfoliation of CaCuSi4O10 and BaCuSi4O10, the ...

Self-assembly of Complex Two-dimensional Shapes from Single-stranded DNA Tiles

Zelf-assemblage van Complex Tweedimensionaal Vormen van enkelstrengs DNA Tiles

Current methods in DNA nano-architecture have successfully engineered a variety of 2D and 3D structures using principles of self-assembly. In this ...

Supercritical Nitrogen Processing for the Purification of Reactive Porous Materials

Superkritische stikstof Verwerking voor de zuivering van reactieve poreuze materialen

Supercritical fluid extraction and drying methods are well established in numerous applications for the synthesis and processing of porous materials. ...

Fabrication of Large-area Free-standing Ultrathin Polymer Films

Fabricage van Groot-area Vrijstaande Ultradunne Polymer Films

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films.  Typically, ultrathin films are prepared ...

Synthesis and Exfoliation of Discotic Zirconium Phosphates to Obtain Colloidal Liquid Crystals

Synthese en afschilfering van discotische zirkonium Fosfaten om colloïdale vloeibare kristallen te verkrijgen

Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and ...

Facet-to-facet Linking of Shape-anisotropic Colloidal Cadmium Chalcogenide Nanostructures

Facet-naar-facet koppelen van Shape-anisotrope colloïdale Cadmium Chalcogenide nanostructuren

Here, we describe a protocol that allows for shape-anisotropic cadmium chalcogenide nanocrystals (NCs), such as nanorods (NRs) and tetrapods (TPs), to be ...

Microfluidic Dry-spinning and Characterization of Regenerated Silk Fibroin Fibers

Microfluidic droog-spinnen en karakterisering van geregenereerde zijde Fibroin vezels

The protocol demonstrates a method for mimicking the spinning process of silkworm. In the native spinning process, the contracting spinning duct enables ...

Synthesis and Characterization of Amphiphilic Gold Nanoparticles

Synthese en karakterisering van amphiphilic goud nanodeeltjes

Gold nanoparticles covered with a mixture of 1-octanethiol (OT) and 11-mercapto-1-undecane sulfonic acid (MUS) have been extensively studied because of ...