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

この作品は、NSF 賞数 DMR 1610126 によって支えられました。

1. ホット 2 D 材料の剥離
注: この手順は、グローブ ボックスの中行われます。
<ol><li>
テープの準備
	<ol>
<li>カット長さテープ (材料の表を参照してください)、≈5 10 センチ ≈2 センチ。作業領域にそれ、粘着面を上に置きます。取り扱いを簡単にテープの端を折る。</li>
		<li>ピンセットを使用して、目的のマテリアルを入金方法の約 4 分の 1 がテープに材料を繰り返し押すと、テープの長さをダウンします。</li>
		<li>さらにテープを半分に折る、自体にこだわり、材料は少なくとも 1 cm2の面積をカバーできるように離れて引っ張る素材を配布します。この複数回繰り返すと、材質によって: グラファイトまたは六角形のほう素の窒化物の黒リンの 1-2 回または数回。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
サンプル準備
	<ol>
<li>目的のメソッドを使用すると、炭化物からのスクライブなどクリーブ酸化シリコンのウエハまたは他の目的の基板チップ実験、1 センチ用に最適に。(私たちは 12 W を使用する) 比較的低消費電力で sonicating アセトン, イソプロパノール (IPA)、続いての 2 分でチップをクリーンアップします。N2乾燥チップを爆破します。</li>
		<li>準備されたテープを使用して、基板上に堆積される材料をしっかりと押し込みます。親指でしっかりした圧力を適用したり材料接触可能な限りチップのでピンセットで軽く押してください</li>
		<li>2 分の 120 ° C で鉄板基板 (基板側を下) にテープを置きます。</li>
		<li>RT に冷却し、テープから慎重に取り外します基板を許可します。テープの残渣を削除する 20 分間アセトンに浸します。30 s とドライ窒素で基板の IPA ですすぎます。、材質によってさらに清掃オプション可能性があります、成形ガス アニールなど。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 気密転送細胞構築、運用・保守
<ol><li>
建設
	<ol>
<li>(我々 はアルミニウムを使用) 必要な材料から (図 2) のセルを構築します。30 mm 径、17.6 mm 閉じたとき背の高いです。製作図面は、http://churchill-lab.com/useful-things でご利用いただけます。</li>
		<li>16.2 ミリメートル スレッド ¾ - で発生したサンプル プラットフォームと背の高い拠点通気 10 スレッドがスレッドにカットします。キャップは、ベースを満たしている、o リングの差込みをする (材料の表を参照してください)。</li>
		<li>8.6 mm センターを通じて女性スレッドに一致すると背の高い帽子を作る。</li>
		<li>0.2 mm 0.1 mm 厚い coverglass ウィンドウ (ここでは、ホウケイ酸ガラス) x 24 の mm の直径に合わせてキャップを凹部します。</li>
		<li>O リングのすべての側面に真空用グリースの少量を適用し、基本のはめ込みにドロップします。</li>
		<li>セルのキャップにウィンドウを貼付する前に油や加工によって残骸を削除する IPA、アセトンでキャップをきれいに。</li>
		<li>ウィンドウをエポキシを使用してセルのキャップに取り付けます。メーカーの仕様によるとエポキシを徹底的に混ぜます。ここでは、A と B の部分は重量によって 1:1.8 の比率で結合されます。</li>
		<li>キャップの凹部の領域にエポキシの少量を適用し、周りにできるだけ均等に 。</li>
		<li>凹部に、0.1 mm、厚さ 24 mm 径 coverglass (この場合はホウケイ酸ガラス) を設定し、エポキシにカチッします。窓がキャップの上端と水平を確認するそこにあるないエポキシ樹脂中の気泡と。</li>
		<li>キャップの表面から、何もしないするように、任意の余分なエポキシを拭いてください。常温で時間を規定するメーカーを治すエポキシを許可します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
操作 注: この手順は、グローブ ボックスの中行われます。<ol>
<li>細胞ベースに作製した試料を貼る目的のメソッドを使用して (両面テープ、接着剤、等.)。セルは、最大 1 センチと 0.7 mm の厚さ、接着剤を含むサンプルに合わせて設計されています。</li>
		<li>ベースの上にキャップをしっかりとネジします。これは o リングを圧縮することでキャップとベースのシールになります。転送セル内の圧力が大気圧の上 3 mbar を超えないことを確認します。</li>
		<li>サンプルは、ウィンドウのすぐ下に座っていることを確認。サンプルは今、グローブ ボックスから安全に削除することができます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
窓修理
	<ol>
<li>ピンセットを使用して、エポキシにしっかりと貼付されていない任意の割れたガラスを削除します。下にエポキシを露出するよう (超硬チップソー製スクライブまたは他の方法を使用して) どのようなガラスのまま分割してください。 注意: 着用手袋、眼の保護ガラスの破片を削除するとき。</li>
		<li>エポキシ樹脂を柔らかくし、キャップから分離し始めるまでのアセトンおよびトリクロロ エチレン (TCE) に 1-2 時間または 50: 50 ミックスでキャップを浸します。30 の IPA でリンス s。</li>
		<li>任意の緩やかなエポキシをはがし、かみそりの刃で表面から残りのエポキシをこすり。キャップの表面を損傷しないように注意してください。必要に応じて、前の手順を繰り返します。</li>
		<li>アセトンと凹型の領域をスクラブ表面はエポキシ残余のきれいまで。セルのウィンドウは、前述の手順に従って今交換できます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3。 転送セルの使用例
<ol><li>
光学的解析
	<ol>
<li>フレーク イメージング顕微鏡下で転送セルに配置します。セルは、任意の従来の顕微鏡で使用できます。焦点を当てとき、壊れやすい未亡人に目的をクラッシュしないように注意します。</li>
		<li>目的の方法材料のフレークを見つけることを続行します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
偏光ラマン分光法
	<ol>
<li>偏光ラマン分光法、関心のフレークにレーザー スポットを合わせます。この場合は、633 nm の波長と 50 μ パワーと 100 倍の対物レンズを使用します。黒リンの低いレーザー力はフレークに損傷を防ぐために必要です。</li>
		<li>半波長板を用いた偏波角度は異なります。</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>

著者が明らかに何もありません。

熱い剥離も選択肢の多くの短所を回避しながら原始的な薄いフレークを生成する一般的な機械的剥離の能力を保持します。典型的な機械的剥離のようなこの技術は材料の小さなサブセットに制限ではありません。ホットの剥離は、材料不活性雰囲気の中で 2 分の 120 ° C に加熱を大目に見る限り、室温機械的剥離を使用して剥離することができます任意の材料に適用できます。我々 はまた、それが20を示されている注意してください (100 ° C) の上の温度と加熱時間がフレーク密度の任意の顕著な違いを公開しないこと。高められた接触は、に沿って、平均フレーク サイズは、フレークと基板間の接着強さを増やすことによって改善できます。O2プラズマと基板を扱うことによってこれを行う方法の 1 つになるがこれもなるフレーク ハードまたはヘテロ構造作製20を必要とするデバイスで使用するためにピックアップすることは不可能。
転送セルは、任意の好適な金属から構築できます。マシンに簡単だが、不安定、温水、または水と混合するとき、TCE (エポキシを削除に使用) はアルミを腐食に注意してくださいので、私たちはアルミニウムを使用しました。ステンレス鋼より耐久性と TCE に反応が弱いです。しかし、我々 はルートでこのメソッドを使用して任意の腐食性の効果を見ていません。イメージングと高開口数目標分析、転送セルの構築は閉じると、ウィンドウの下部が 0.8 mm ベースの最上部より上になるようです。0.5 mm 厚の基板と 0.1 mm 厚い接着剤、サンプルは転送セルの上部下 0.3 mm を座っています。この近さは、イメージングと高倍率と比較的短い作動距離の対物レンズ解析します。剥離材は 5 ではっきり見ることができる 20、50 倍薄いフレークを容易に識別を可能にします。高倍率で大幅ウィンドウによる球面収差イメージ品質が低下します。サンプル基板が厚さ 0.7 mm 未満であるセルを締め上のリスクはありません。キャップをねじ込んで、過剰なガスがスレッドで通気口が追放されます。構築時に、通気孔の正確な位置は重要ではありませんが、サンプル、真空グリースまたは他の何かによって妨げられないことが重要です。通気口は、壊れやすい 0.1 mm 厚い窓がキャップをねじ込んで、過圧による破壊を防ぎます。ウィンドウだけいくつか mbar の圧力変化を耐えることができます。
転送細胞に使用される coverglass ウィンドウはホウケイ酸ガラス製、以外の波長で光解析の可視近赤外、他の窓材を使用可能性があります。最高のイメージングのガラス窓をインストールするときに注意がすべき。正しく取り付けられていないサンプルとウィンドウ間の距離が予想以上に大きいかもしれません。特に小さな作動距離の対物レンズのために衝突し、窓を割る目的この原因となります。また、いくつかのエポキシが高温で硬化速度の速いが、未亡人が部屋の温度に冷却した後変形、金属とガラスの熱膨張係数が異なるため。エポキシ樹脂は、同じ温度で使用されます (つまり、セルは、室温で使用されます) 場合で治らない筈が、エポキシは、常温でも硬化する必要があります。

単一原子層に剥離することができます様々 な層状材料は、幅広い分野にわたって関心を生成しています。ただし、調査とこれらの材料の多くのアプリケーションは、彼ら空気安定しているとすぐに酸化したり、さらされるメタンハイド レートという事実によって複雑になります。たとえば;黒リン可変の直接バンド ギャップ、高い機動性と異方性の光学・電気特性1,2,3,4、5と半導体が、空気中で安定ではないと時間6,7酸素8との相互作用のためのより小さいが悪くなります。CrI3が最近二次元強磁性9,10,11を展示する示されているが、空気にさらされて、それ低下ほぼ瞬時に11。
これらの材料から作られたデバイスは、グローブ ボックスには、六角形のほう素の窒化物の12,13などの化学的に不活性材料でカプセル化することによって空気から保護できます。ただし、これらのデバイスを開発する場合は、識別し、カプセル化する前にフレークを分析する必要があります。この分析には、グローブの不活性環境からサンプルを削除するか、グローブ ボックスの分析装置を置くことが必要です。リスクは、グローブ ボックス内に必要な設備を配置することができますが高価で面倒は酸化や水分の摂取を介して損傷も短時間のため、サンプルの削除します。この問題を解決するには、不活性環境で維持、グローブ ボックスから削除することができます安全にサンプルを囲む気密転送セルを考案しました。転送細胞中には、サンプルは、フォトルミネッ センス、ラマン分光法などの光学的解析技術の使用だけでなく、顕微鏡下でのフレークを簡単に識別できるようにガラス窓下 0.3 mm を座っています。
空気敏感であることに加えて、いくつかの二次元材料ですので一般的な機械的剥離法による薄片に剥離することは困難も比較的高い胸の谷間エネルギー、比較的弱い面の債券、またはその両方。CVD 成長14,15、液体剥離16、18金仲介された剥離17,などの他のメソッドは、薄い層を製造するために開発されている、可能性があります未満原始的なフレークと特定の材料だけ働きます。高温におけるグラフェンの剥離は、少なくとも 10 年19の大きなフレークを生成する知られているが、この技術特徴付けされている定量的最近グラフェンの Bi2Sr2CaCu2Oxフレーク20。ここでは、その熱い剥離黒リン、剥離が困難である材料のためにまた剥離収率が向上を示しています。ハーメチック転送セルとともに容易に剥離して空気敏感な二次元材料の解析。

<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

我々 は生産および空気に敏感な二次元材料の大規模な薄いフレークを分析するための方法を説明します。層の薄いフレークやファンデルワールス結晶が機械的剥離は、レイヤーは、粘着テープを使用してバルク結晶をはがされますを使用して生成されます。このメソッドを生産高品質のフレークが小さいことが多い、特に材料黒リンなど比較的高い胸の谷間のエネルギーを持つため、見つけるは難しいことができます。テープと基板を加熱することによって二次元基板へ密着性が促進されとの 10 倍まででフレークの収量を増やすことができます。剥離後イメージまたはそれ以外の場合、これらのフレークを分析する必要があるがいくつかの二次元材料は酸素や水に敏感なが低下するとき空気を公開します。我々 は設計および、一時的に空気に敏感なフレークをイメージして最小限の劣化で解析できるように、グローブ ボックスの不活性の環境を維持するために気密転送セルをテストします。転送セルのコンパクトな設計は、特殊な機器や既存の機器の変更なしグローブ ボックス外敏感な材料の光学的解析が実行できるようです。

二次元材料をピーリングの目的は、原子スケール薄層を分離することです。剥離プロセス中にフレークは、単分子膜にいくつかのフレークの小さな確率で、様々 な厚さのフレーク残しバルク結晶を分離します。密度とすべて剥離フレークのサイズを増やすことによってホット剥離は、密度と薄いフレークの横方向のサイズを増加します。これは、基板の密接なコンタクトを作る材料の面積を大きくしています。材料と基材の間閉じ込められたガス中に接触、加熱中に展開し、フレークの下からプッシュされます。閉じ込められたガスの除去で明確に説明した Ref 20 として剥離フレーク (図 1 a,B) の量が増えて、基質との密接な接触に入って来る材料の多くを使用できます。黒リンの剥離が贈ったを 90 nm 厚 SiO2によるシリコン チップ上典型的な機械的剥離と熱い剥離技術を使用して行った。堆積材料 1 cm x 1 cm のシリコン ・ チップ上の面積を測定することにより見られる (図 1)、熱い剥離預金 6-10 倍の材料をすることができますそれ。我々 は、我々 の経験で他の材料から選択できる HF 洗浄基板ポリカーボネートの次のホット剥離、グラフェン、六角形のほう素の窒化物、黒リン、MnPSe3WSe2などを使用して注意してください。我々 は 15 秒にわたって SiO2基板をきれいに 10:1 HF:water ソリューションを使用しました。注意してください、このプロセス 6 によって私たちの基板をエッチングするので、10 %hf エッチング 23 nm/分21日のレートで SiO2 nm。
今、グローブ ボックスから削除されたとき不活性雰囲気を維持するために気密転送細胞 (図 3 a) の有効性を考えています。CrI3は特に水分補給に敏感と数秒以内に低下する (図 3 D) 空気に露出されたとき。転送セル内ただし、剥離の CrI3サンプル 15 時間 (図 3 b) 変わらず、劣化 (水ぶくれ) 24 時間 (図 3) 後の兆しを見せ始めた。スケール小さすぎる損傷観察光学的可能性が高い、これらの結果は、ここで説明したハーメチック転送セルが少なくとも 3 つの一桁によってサンプルの分解速度を遅らせることを示す短いタイム スケールで発生する (比較セル内時間外秒)。
空気に敏感な材料の光学的解析のため転送セルの使用を示すためには、比較的厚いの偏光分解ラマン分光を実行 (> 50 nm) 黒リン (図 4 a) のフレーク。632.8 50 μ レーザー刺激を使用してスペクトルを取得した 100 倍対物レンズの nm。半波長板は、励起光の偏光を回転させる使用されました。図 4 bの 3 つのラマンピークが約 466 で BP で観察できる 438 と 361 cm− 1、偏波に関係なくそれぞれ、g2B2 gとg1の振動モードに対応しています。BP 結晶励起と z 軸に沿ってコレクションの前の所見とよく一致します。5,22ピークの位置は、偏波角度では変化しません。ただし、これらの 3 つのモードの相対的強度は入射光の偏光を大幅変更します。振動モードの励起レーザー偏光最強強度の変動は、図 4 bCに示すようにg2に、肘掛け椅子の方向に沿って原子の運動に関連付けられます。したがって、以前に報告された5、この振動モードは BP 結晶の肘掛け椅子の方向を決定する効果的な方法を提供します、それゆえ結晶方位。図 4、ラマン強度が 26.5 ° と顕微鏡画像で定義されている X と Y 軸に関して 206.5 ° に位置して、完全な 1 回転内で 2 つの極大を示し、BP の肘掛け椅子の方向がこのフレークの 26.5 ° 指向であると考えられました。.同じような分光結晶配向性とその他のプロパティを決定するメソッドを使用できます、層数や光などの空気に敏感な 2 D 等のギャップをバンドします。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58693/58693fig1.jpg"> 図 1: 上の資料の配布、酸化したシリコン チップ。(A) 室温で剥離黒リンの典型的なサンプル。(B) 黒リンの典型的なサンプルが 120 ° C で剥離(C) 部屋 temperature(cold) と熱い剥離を使用して剥離黒リン領域のヒストグラム。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58693/58693fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。 
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58693/58693fig2.jpg"> 図 2: 転送セル。(A) 別のキャップとベースを示す気密転送セルの図。(B) 図伝。通気口 (緑) をカットして、スレッドに。ベースの底部をタップするか、マウントのスレッドとに注意してください。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58693/58693fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58693/58693fig3.jpg"> 図 3: フレーク劣化の抑制をセルに転送します。(A) 転送で新鮮な CrI3セルのセルに (B) CrI3 15 h (C) CrI3セルに後水和水疱 24 h はこの時点で見ることができる後。(D) CrI3転送セルと 30 で 24 h 後空気に空気で s。水和の CrI3の大部分は、フレークのエッジで収集しています。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58693/58693fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58693/58693fig4.jpg"> 図 4: 結晶方位同定します。(A) 厚い BP フレーク剥離跪く (B) 偏光ラマン分光の厚い薄片の光学顕微鏡写真。(C) 極が (B) のスペクトルの範囲内での平均ラマン強度の非線形励起偏波角度の関数としてプロット (プロットの起源はゼロの強度)。フィットは、正弦関数と定数です。破線は、肘掛け椅子の方向を示します。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58693/58693fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</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

剥離と大面積解析空気敏感な二次元材料

空気敏感な二次元材料の大きな薄いフレークを剥離、グローブ ボックス外分析のためそれらを安全に輸送する方法が表示されます。

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

このプロトコルは、空気に敏感な2次元材料の大きな薄いフレークを剥離する方法を示しています。そして、安全にグローブボックスの外の分析のためにそれらを輸送します。グローブボックスの中で作業し、長さ約5〜10センチメートル、幅2センチメートル以上のテープの長さを準備します。作業領域に粘着性の側面を置きます。端を折り畳んで取り扱いやすくします。ピンセットを使用して、テープの長さを約1/4の方法で所望の材料を堆積する。繰り返しテープにそれを押すことによって。さらに、テープを半分に折りたたんで、それ自体に貼り付けて引き離すことによって、材料を分配します。材料が少なくとも1平方センチメートルの面積をカバーするように。側面の1センチメートル未満の正方形のチップに切られた基質から始めます。準備したテープを使用して、堆積物を基板にしっかりと押し込みます。親指でしっかりと圧力をかけるか、ピンセットで軽く押します。だから、材料は、可能な限りチップに接触します。テープと基板を基板側に置き、ホットプレートの上に120°Cで2分間置きます。基板を冷却します。その後、テープから慎重に取り出します。熱い剥離は室温の剥離より多くのテープ残余を残す。しかし、残渣の大部分は、アセトンに20分間浸漬することによって除去することができる。続いてイソプロピルアルコールで30秒。転写セルは、金属製のキャップとベースで作られています。それは幅30ミリメートルで、閉じると高さはわずか17.6ミリメートルです。ベースには、キャップにスレッドする、上げられたサンプル プラットフォームがあります。ねじに切り込まれたこの溝は、キャップがねじ込まれたときにセルウィンドウが壊れないようにする通気孔です。キャップがベースと一致する場合は、Oリングの差し込みがあることに注意してください。そして帽子は薄いカバーガラスの窓を収容するために引き込む。気密シールは、細胞の基部に座っているビトンOリングによって作られる。Oリングの全側面に少量の真空グリースを塗布します。そして、それを所定の位置に落とします。窓をセルのキャップに固定する前に、アセトンとイソプロピルアルコールのキャップを清掃して、加工工程で残った油や破片を取り除きます。エポキシを使用して、ウィンドウをセルキャップに取り付けることができます。メーカー仕様に合わせて、エポキシを十分に混ぜ合わせます。この場合、部品AとBは1~1.8の重量比で組み合わされます。キャップの凹部に少量のエポキシを塗布し、可能な限り均等に広げます。慎重に凹部にガラスの窓をドロップし、穏やかにエポキシにそれを押します。ウィンドウがキャップの上部に対してレベルであり、エポキシに気泡がないことを確認します。最後に、キャップの表面から何も突き出ないように、余分なエポキシを拭き取ります。エポキシは、室温で製造業者によって規定された時間のために治癒することを許可します。目的の方法を使用して、調製したサンプルを細胞ベースに貼付する。細胞を閉じる前に、グローブボックス内の圧力は周囲圧より3ミリバール未満である必要があります。そうでない場合、グローブボックスから取り外すとガラスが破損します。キャップとベースが合うまで、キャップをしっかりとベースにねじ込みます。サンプルがウィンドウのすぐ下に位置していることを確認します。サンプルを安全にグローブボックスから取り出して分析できるようになりました。壊れた窓を固定するには、安全メガネとニトリル手袋を着用し、エポキシにしっかりと貼られていない壊れたガラスを取り外します。下のエポキシが露出するように、残っているガラスを分割します。ヒュームフードで作業し、アセトンとトリクロロエチレンの50/50混合物にキャップを1〜2時間浸します。エポキシが柔らかくなり、キャップから分離し始めるまで。アセトンからキャップを取り出し、トリクロロエチレン混合物、イソプロピルアルコールでリンスします。緩いエポキシを剥がし、残りのエポキシを表面からカミソリの刃で削ります。キャップの表面を傷つないように注意してください。必要に応じて、前の手順を繰り返します。凹部をアセトンで、表面がエポキシ残渣を洗浄するまでスクラブします。セルウィンドウは、前述の手順に従って置き換えられるようになりました。細胞は、フレークを識別するために顕微鏡の下に置くことができます。フォーカスを設定するときは、焦点の上から開始してステージを下に移動して、目的をウィンドウにクラッシュさせないように注意してください。剥離材料は、5倍、20倍、50倍の倍率ではっきりと見ることができます。薄いフレークの容易な同一証明を可能にする。拡大率が高くなると、ウィンドウによって引き起こされる球面収差が画質を著しく低下させます。当社の転写セルを用いて、空気に敏感な二次元材料の光学測定の異なるタイプを行うことも可能です。最後の例として、偏光分解ラマン分光法を用いて黒リンサンプルの結晶方位を決定する。偏光解決ラマン分光法のために目的のフレークにレーザースポットを合わせます。この場合、波長は633ナノメートル、50マイクロワットパワーを使用します。そして100倍の倍率の対物レンズ。黒リンの場合、フレークの損傷を防ぐためには、低いレーザーパワーが必要です。ラマンスペクトルは偏光角の関数として記録されます。これは半波板を用いて変化する。熱い剥離の目標は、多くの大きなフレークを生成することです。それによって非常に薄いフレークを見つける確率が高くなります。比較のために、パネルAとBは室温で、摂氏120度で典型的な黒リン剥離を示す。パネルBのフレークカバレッジは、パネルA.Panel Cの何倍もの倍であり、室温と高温剥離の両方について、6つの異なる1平方センチメートルのシリコンチップ上の剥離材料の総面積を示していることはすぐに明らかです。熱い剥離は、チップに堆積される材料の量の6〜10倍になります。当社の転写セルを使用すると、空気に敏感な2次元材料の寿命を大幅に延ばすことができます。空気中で数分以内に劣化するサンプルは、数時間続く可能性があります。例えば、パネルA〜Cは、トリヨ化クロムが移動セル内のグローブボックスの外側に保存され、最大15時間の劣化の目に見える兆候を示し始めないことを示す。パネルDは、この非常に空気に敏感な材料が、周囲の大気にさらされると数秒以内に水和することを示す。最後に、ラマン分光法を用いて、転写細胞内に保存された黒リンフレークの結晶方位を決定しました。レーザースポットをパネルAの中央の厚い黒リンフレークに合わせ、ラマンスペクトルはレーザー偏光の関数としてゼロから360度まで測定されます。パネルB.に示すように、黒リンの典型的な3つのピークは、約361、438および466の波数で観察される。ピーク強度は偏光角度で強く変調することがわかります。パネルCは、A2Gピーク対偏光角の積分強度を示す。これは26.5度で最大を示しています。このモードは黒リンのアームチェアエッジに沿った面内振動に対応するため、アームチェア方向に平行な偏光に対して最も強い。我々は、このフレークのアームチェア方向が、パネルA.Asの画像に対して26.5度の向きを持ち、室温剥離と比較して、熱い剥離がより高い量の大きなフレークを生成すると結論付ける。グローブボックスの不活性雰囲気を保ち、密着性転写セルを使用することで、グローブボックス内に分析機器を収納することなく、空気に敏感な2次元材料の薄いフレークを分離し、光学的に特徴付けることを可能にします。

Research

JoVE Journal

Chemistry

Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals

のCdSe / CdSのロッドやテトラポッドナノ結晶のシードの合成

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

エジプトの青と漢青、二アルカリ土類銅シリケート系顔料の剥離

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

一本鎖DNAタイルから複雑な2次元形状の自己集合

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

反応性多孔質材料を精製するための超臨界窒素処理

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

大面積自立超薄ポリマーフィルムの作製

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

コロイド液の結晶を得ることが合成とディスコティックリン酸ジルコニウムの剥離

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

ファセットとファセットの形状異方性のコロイド カドミウム カルコゲナイド系ナノ構造のリンク

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

マイクロ流体ドライ回転と再生絹フィブロイン繊維の特性

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

親和性金ナノ粒子の合成と特性化

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