提出了一种在手套箱外对空气敏感二维材料进行去角质和安全输送的大型薄片进行分析的方法。
我们描述了生产和分析大, 薄片空气敏感二维材料的方法。薄片的层状或范德华晶体是通过机械去角质产生的, 在这种去角质中, 层层使用胶带从块状晶体上剥落。这种方法产生高质量的薄片, 但它们往往很小, 很难找到, 特别是对于具有相对较高的裂解能量的材料, 如黑磷。通过加热基材和胶带, 可提高二维材料对基材的附着力, 并可将片状屈服量提高10倍。去角质后, 有必要对这些薄片进行成像或分析, 但有些二维材料对氧气或水敏感, 暴露在空气中会降解。我们设计并测试了一个密封转移细胞, 以暂时保持手套箱的惰性环境, 从而能够以最小的降解对空气敏感片进行成像和分析。转移单元的紧凑设计是这样的, 敏感材料的光学分析可以在手套箱外进行, 而无需专门的设备或对现有设备进行修改。
可以去角质到单个原子层的各种层状材料引起了广泛领域的兴趣。然而, 由于这些材料在空气中不稳定, 暴露时迅速氧化或水合物, 其中许多材料的调查和应用变得更加复杂。例如,黑磷是一种半导体, 具有可调谐的直接带隙、高流动性和各向异性的光学和电学特性 1、2、3、4、5 , 但在空气和空气中不稳定。将在不到一个小时 6,7恶化, 由于与氧气8的相互作用.cri3最近被证明表现出二维的铁磁性 9 ,10,11, 但当暴露在空气中, 它几乎立即退化 11.
用这些材料制成的设备可以通过在手套箱中工作并将其封装在化学惰性材料 (如六角形氮化硼12,13) 中, 来防止空气。然而, 在开发这些设备时, 通常需要在封装之前识别和分析薄片。这种分析要么要求从手套箱的惰性环境中取出样品, 要么将分析设备放在手套箱中。即使在很短的时间内, 去除样品也有可能因氧化或水合作用而损坏, 而将必要的设备放入手套箱内可能成本高昂且繁琐。为了解决这个问题, 我们设计了一个密封的转移细胞, 安全地包裹样本, 将其保存在惰性环境中, 这样就可以将其从手套箱中取出。而在转移细胞中, 样品位于玻璃窗下0.3 毫米, 以便在显微镜下轻松识别薄片, 并使用光学分析技术, 如光致发光或拉曼光谱。
一些二维材料, 除了空气敏感, 也很难去角质成薄片与典型的机械去角质方法, 因为相对较高的裂解能量, 相对较弱的平面内键, 或两者兼而有之。其他方法, 如 cvd 生长14,15, 液体去角质16,或黄金介导的去角质17,18 已开发用于生产薄层, 但可能会导致小于原始片状和只适用于某些材料。虽然石墨烯在高温下的去角质至少在 10年的时间里已经产生了大量的薄片, 但最近对石墨烯和 bi 2 sr2ccu2都有了定量的表征ox 片20。在这里, 我们证明, 热去角质提高去角质产量也为黑磷, 这种材料是出了名的难以去角质。这项技术, 再加上一个密封转移细胞, 有利于去角质和分析空气敏感, 二维材料。
热去角质保留了典型的机械去角质的能力, 以产生原始的薄片, 同时也避免了许多下降的替代品。与典型的机械去角质一样, 这种技术并不局限于一小部分材料。热去角质可应用于任何材料, 可以使用室温机械去角质去角质, 只要该材料在惰性气氛中允许加热到 120°c 2分钟。我们还注意到, 已经显示20加热时间和温度 (100°c 以上) 不会使片状密度有任何明显的差异。随着接触的增加, 通过增加基板与片状之间的粘结强度, 也可以提高平均片状尺寸。一种方法是用 o2 等离子体处理基板, 但这也会使片状物硬或无法拾取, 以便在需要异质结构制造20的设备中使用.
转移单元可以用任何合适的金属构成。我们使用铝, 因为它易于加工, 但应该注意的是, tce (用于去除环氧树脂) 是腐蚀铝时不稳定, 加热, 或与水混合。不锈钢将更耐用, 较少反应性与 tce。然而, 我们在 rt 没有看到使用这种方法有任何腐蚀性影响。对于具有高数值孔径目标的成像和分析, 传输单元的构造使窗口的底部在基座顶部上方0.8 毫米。样品的基板厚度为 0.5 mm, 粘合剂厚度为 0.1 mm, 位于转移单元顶部下方 0.3 mm 处。这种接近度允许成像和分析具有较高的放大倍率和相对较短的工作距离目标。去角质材料可以清楚地看到在 5, 20, 50倍的放大倍率, 便于识别薄片。在较高的放大倍率下, 窗口引起的球面像差会显著降低图像质量。只要样品基板小于 0.7 mm 厚, 就不会有过度拧紧电池的风险。当瓶盖拧紧时, 多余的气体通过螺纹中的排气口排出。在施工过程中, 通风口的精确位置并不重要, 但重要的是不受样品、真空润滑脂或其他任何东西的阻碍。通风口可防止脆弱的 0.1 mm 厚的窗户在瓶盖拧紧时由于超压而破裂。该窗口只能承受几个 mbar 的压力变化。
用于转移细胞的覆盖玻璃窗是由硼硅酸盐玻璃制成的, 但对于近红外可见光以外的波长的光学分析, 可能会使用其他窗口材料。为了获得最佳成像效果, 安装玻璃窗时应小心。如果未正确就位, 样品和窗口之间的距离可能比预期的要大。特别是对于小工作距离的目标, 这可能会导致目标撞上并打破窗口。此外, 一些环氧树脂在较高的温度下固化速度会更快, 但由于金属和玻璃具有不同的热膨胀系数, 寡妇在冷却回室温后会变形。环氧树脂应在使用时的相同温度下固化 (即, 如果电池将在室温下使用), 环氧树脂也应在室温下固化。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了 nsf 奖项 dmr-1610126 的支持。
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 |