单层摇瓶机

如何沉积纳米粒子——纳米粒子单层膜沉积实用指南 纳米颗粒的二维致密单层膜沉积是多种技术和科学研究的基础。例如，纳米粒子单层膜可以作为传感器上的功能层，也可以用来生产用于纳米球光刻的胶体掩模。但是，怎样才能高效、可靠地得到具有三维自由度的纳米颗粒溶液，并将这些颗粒限制在横跨大基底的(二维)单层中呢?传统的纳米颗粒沉积技术纳米颗粒沉积技术种类繁多。一些相对简单和快速的方法包括溶剂蒸发、浸渍镀膜和旋涂镀膜。然而，这些技术可能会浪费大量的纳米颗粒，并且无法有效控制纳米颗粒的密度和配位结构。溶剂蒸发溶剂蒸发容易产生所谓的咖啡渍圈环效应，这种效应是由马朗戈尼流动引起的。这将导致不均匀沉积，中心的纳米粒子沉积稀疏，而边缘则形成多层纳米粒子沉积。 浸渍镀膜另一方面，如果只是用纳米粒子覆盖基底，浸渍镀膜将是一种很好的技术。然而，使用这种方法沉积纳米颗粒单分子层是非常具有挑战性的。同时，浸渍镀膜需要大量的纳米颗粒，这在处理昂贵纳米颗粒材料时将成为一个大的限制因素。 旋涂镀膜旋涂镀膜也是一种很有吸引力的方法，因为它易于规模化放大，而且在半导体工业中是一种众所周知的技术。然而，使用这种方法，薄膜的质量和多个工艺参数紧密相关，如：自旋加速度、速度、纳米颗粒的大小、基材的润湿性和所用溶剂。这使得对薄膜属性的精确控制变得非常困难。而且，一般旋涂镀膜需要大量的纳米颗粒溶液。 气液界面的单层镀膜在这里，气液界面沉积纳米颗粒单层提供了一种高度可控的沉积方法，可以将其沉积在几乎任何基底上。纳米颗粒被限制在气液界面，界面面积逐渐减小，使得纳米颗粒更加紧密地聚集在一起，从而可以实现控制沉积密度的目的，因为单位区域面积沉积的纳米颗粒的数量很容易计算，这样对纳米颗粒的需求量就会大大降低。 单层薄膜形成后，可以通过简单的上下提拉基底即可将界面上的薄膜转移到基底上。 在线网络研讨会报名如果您对如何制备纳米颗粒单分子膜感兴趣，想获取更多这方面的知识，请报名参加由伦敦大学学院的Alaric Taylor博士举办的题为“纳米颗粒单分子层薄膜沉积实用指南”的网络研讨会。报告人Alaric Taylor简介：Alaric Taylor博士是伦敦大学学院工程和物理科学研究委员会（EPSRC）研究员，他在纳米光子材料的制造，尤其是通过在气-液界面开发胶体单层自组装方面有很高的造诣。 报告内容：? 详细讲解纳米颗粒沉积的具体操作? 指出需要注意的事情? 讲述纳米颗粒沉积的技巧 报告时间：2018年9月13日下午3:00（北京时间）报名联系：如需参会，请填好下列表格中的信息发送至，邮箱：lauren.li@biolinscientific.com；姓名单位邮箱电话特别提醒：因为可能会涉及电脑、系统、耳机等调试问题，建议大家提前5-10分钟进入链接。

供稿| 洪艺伦编辑| Norah、孙平校阅| Lucy、Joanna以石墨烯为代表的二维范德华层状材料具有独特的电学、光学、力学、热学等性质，在电子、光电子、能源、环境、航空航天等领域具有广阔的应用前景。目前理论预测得到的层状母体材料已经超过5,600种，包括1800多种可以较容易地或潜在地通过剥落层状母体材料得到的二维层状化合物[1]，像是石墨烯、氮化硼、过渡金属硫族化合物、黑磷烯等均存在已知的三维母体材料。在目前已知的所有三维材料中，块体层状化合物的数量毕竟不是多数。因此，直接生长自然界中尚未发现相应块状母体材料的二维层状材料，成为突破和扩展二维层状材料范围的新“希望”。它们有望为新物理化学特性的发现和潜在的应用前景提供巨大机会，具有重要的科学意义和实用价值。过渡金属碳化物和氮化物(TMCs和TMNs)就是这类材料。然而，由于表面能量的限制，这些非层状材料倾向于岛状生长而非层状生长，往往只能得到几纳米厚度的、横向尺寸约100微米的非均匀二维晶体，这就使得大面积均匀厚度的合成依然困难。那么，如何解决呢？近日，中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心任文才研究员团队，提出一种新方案——采用钝化非层状材料的高表面能的位点来促进层状生长，最终制备出一种不存在已知母体材料的全新二维范德华层状材料——MoSi2N4，并获得了厘米级单层薄膜。本次“前沿用户报道”专栏就将为大家介绍这一研究。图1 二维层状MoSi2N4晶体的原子结构：三层（左）的MoSi2N4原子模型和单层的详细横截面晶体结构； 01“平平无奇”Si，实现材料新生长关于二维层状材料的研究，任文才团队多有建树，他们早在2015年就发明了双金属基底化学气相沉积（CVD）方法，并利用该方法制备出多种不同结构的非层状二维过渡金属碳化物晶体材料。但正如上文提到的，这些材料由于表面能限制，使得该富含表面悬键的非层状材料倾向于岛状生长，难以得到厚度均一的单层材料。令人惊喜的是，团队成员在一次实验中打开了新思路。他们在研究如何消除表面悬键对非层状材料生长模式的影响时，想到了从电子饱和的角度出发，发现硅元素可以和非层状氮化钼表面的氮原子成键使其电子达到饱和状态，而硅元素正好是制备体系中使用到的石英管中的主要元素。因此，他们决定从制备体系中的石英管中的Si元素入手，研究Si元素的加入对非层状材料生长的影响。团队成员惊喜地发现， Si元素可以参与到生长中去，成为促进材料生长的绝佳“帮手”。这一意外的发现开启了探索的新方向，他们反复试验，最终确认Si的引入的确可以改变材料的生长模式。他们在CVD生长非层状二维氮化钼的过程中，引入硅元素来钝化其表面悬键，改变其岛状生长模式，最终制备出新型层状二维材料材料——MoSi2N4。图2 (A)单层MoSi2N4薄膜的CVD生长（B）用CVD法生长30min、2h和3.5h的MoSi2N4光学图像，说明了单层薄膜的形成过程（C）CVD生长的15mm×15mm MoSi2N4薄膜转移到SiO2/Si衬底上的照片；（D）一个MoSi2N4薄膜典型的AFM图像，显示厚度~1.17nm；（E）MoSi2N4结构的横截面HAADF-STEM图像，显示层状结构，层间距~1.07nm02Si钝化效果显著，MoSi2N4成功制备任教授团队还对比了加Si与不加Si之间的区别，发现采用Si来进行钝化的方式效果显著，帮助他们获得了一种全新的不存在已知母体材料的二维范德华层状材料——MoSi2N4，并最终可获得厘米级的均匀单层多晶膜。从下图3就可看出，下图为Cu/Mo双金属叠片为基底，NH3为氮源制备的单层和多层材料。通过对比试验发现：在不添加Si的情况下，仅能获得横向尺寸为微米级的非层状超薄 Mo2N晶体，厚度约10 nm且不均匀；而当引入元素Si时，生长明显发生改变：初期形成均匀厚度的三角形区域，且随着生长时间的延长三角形逐渐扩展，同时又有新的三角形样品出现并长大，最后得到均匀的单层多晶膜。利用类似制备方法，他们还制备出了单层WSi2N4。图3 经过高分辨透射电镜的系统表征，发现层状MoSi2N4晶体的每一层中包含N-Si-N-Mo-N-Si-N共7个原子层，可以看成是由两个Si-N层夹持一个N-Mo-N层构成（A）单层MoSi2N4晶体的原子级平面HAADF-STEM原子像；（B）多层MoSi2N4晶体的横截面原子级HAADF-STEM图像03高强度和出色稳定性，后续研发令人期待厘米级单层薄膜已经制备，其性能如何呢？该团队成员继续展开了论证。他们与国家研究中心陈星秋研究组和孙东明研究组合作，最终发现单层MoSi2N4具有半导体性质（带隙约1.94eV）和优于单层MoS2的理论载流子迁移率，同时还表现出优于MoS2等单层半导体材料的力学强度和稳定性。另外，通过使用HORIBA LabRAM HR800拉曼光谱仪进行拉曼光谱测试，获得了显著的拉曼信号，这为后续材料的快速表征提供了有力的证据。这些物理性能的提升，无疑为MoSi2N4进入实际应用奠定了基础，后续这一材料将在电子器件、光电子器件、高透光薄膜和分离膜等领域做更深入的应用探索。不仅如此，团队成员通过理论计算预测出了十多种与单层MoSi2N4具有相同结构的二维层状材料，包含不同带隙的间接带隙半导体、直接带隙半导体和磁性半金属等（图4），这一研究结果也进一步拓宽了二维层状材料的范围，尤其壮大了单层二维层状材料的大家族，具有重要意义。该工作得到了国家自然科学基金委杰出青年科学基金、重大项目、中国科学院从0到1原始创新项目、先导项目以及国家重点研发计划等的资助。图4 理论预测的类MoSi2N4材料家族及相关电子能带结构该研究成果不仅开拓了全新的二维层状MoSi2N4材料家族，拓展了二维材料的物性和应用，而且开辟了制备全新二维范德华层状材料的研究方向，为获得更多新型二维材料提供了新思路。04文章作者&论文原文任文才，中国科学院金属研究所研究员，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事石墨烯等二维材料研究，在其制备科学和技术、物性研究及光电、膜技术、储能等应用方面取得了系统性创新成果。在Science、Nature Materials等期刊发表主要论文160多篇，被SCI他引24,000多次。连续入选科睿唯安公布的全球高被引科学家。获授权发明专利60多项（含5项国际专利），多项已产业化，成立两家高新技术企业。获国家自然科学二等奖2次、何梁何利基金科学与技术创新奖、辽宁省自然科学一等奖、中国青年科技奖等。文章标题：Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials. Science 369 (6504), 670-674.DOI: 10.1126/science.abb7023引用文献：[1] N. Mounet et al. Two-dimensional materials from high-throughput computational exfoliation of experimentally known compounds. Nat. Nanotechnol. 13, 246-252 (2018).免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者或互联网转载，目的在于传递更多信息用于分享，供读者自行参考及评述。文章版权、数据及所述观点归原作者或原出处所有，本平台未对文章进行任何编辑修改，不负有任何法律审查注意义务，亦不承担任何法律责任。若有任何问题，请联系原创作者或出处。

【科学背景】随着二维半导体研究的深入，过渡金属硫化物（TMDs）因其独特的光电特性和材料纯净度而引起了广泛关注。TMDs作为一种重要的范德华半导体材料，具有在低温和低载流子密度下表现出丰富的量子多体基态的潜力。然而，实现这些潜力的关键在于制作在低温和低载流子密度下仍能保持透明的低电阻欧姆接触，这一直是一个重大挑战。制作单层TMDs电接触的主要问题在于肖特基势垒的形成和费米能级钉扎现象。工作函数调谐金属可以帮助降低肖特基势垒高度，而在接触区域掺杂半导体可以用于减少势垒宽度。然而，通常用于实现对厚半导体透明电接触的技术，如离子注入和扩散金属接触，不能应用于单层TMDs，因为它们的原子薄结构。尽管转移金属、范德华材料和半金属等接触材料已经被应用于TMDs，但这些技术在低温和低载流子密度下的高性能接触仍然难以实现。为了解决这些问题，美国哥伦比亚大学（Columbia University）Cory R. Dean教授的研究团队采用了一种新型接触方案，利用范德华电子受体α-RuCl3，实现对单层WSe2的高透明p型接触。作者将α-RuCl3与WSe2的一侧接口，以在接触区域引入大量空穴掺杂，而在另一侧使用几层石墨形成金属接触。通过机械组装将电荷转移和接触层引入二维半导体，使作者能够在一个全范德华异质结构中实现完全接触和封装的二维半导体。本研究解决了在低温和低载流子密度下实现高性能电接触的难题。通过电荷转移接触方案，作者测得了创纪录的空穴迁移率和极低的通道载流子密度，使得作者能够研究在低载流子密度和强磁场下的量子输运特性。在这些条件下，作者观察到了维格纳晶体预期形成的密度下的金属-绝缘体相变（MIT），以及单层WSe2中分数量子霍尔效应（FQHE）的电输运特征。此外，范德华组装的设计灵活性使得电荷转移结构可以应用于依赖二维半导体电输运的各种器件，包括那些设计在室温下运行的器件。通过改进器件组装和接触界面的掺杂剖面设计，可以进一步提高接触性能。新型范德华电荷转移材料的识别可以为工程化的稳健n型和p型接触提供平台，其电阻有望接近或优于少层TMDs中报告的最低值。本研究为未来的器件在理解和利用TMD异质结构中的各种相关基态方面提供了新的可能性。【科学亮点】1. 实验首次采用电荷转移层实现了单层WSe2的高度透明p型接触，成功测得了创纪录的80,000&thinsp cm² &thinsp V⁻ ¹ &thinsp s⁻ ¹ 的空穴迁移率，并在低至1.6&thinsp ×&thinsp 10¹ ¹ &thinsp cm⁻ ² 的通道载流子密度下进行了测量。2. 实验通过将α-RuCl3与WSe2接口，引入大量空穴掺杂，同时在另一侧使用几层石墨形成金属接触，实现了完全接触和封装的二维半导体，确保了高性能接触在低密度下的表现：&bull 在低温和高磁场条件下，首次观察到密度低至1.6&thinsp ×&thinsp 10¹ ¹ &thinsp cm⁻ ² 时的金属-绝缘体相变（MIT），该密度下预期维格纳晶体形成。&bull 在强磁场下，首次在单层WSe2中观察到分数量子霍尔效应（FQHE）的电输运特征。&bull 通过范德华组装的设计灵活性，电荷转移结构能够应用于各种二维半导体器件，包括在室温下运行的器件。3. 该实验的成功展示了高纯度单层WSe2在低载流子密度和高磁场下的优异量子输运特性，指出了未来可以通过改进器件组装和掺杂剖面设计进一步提升接触性能的方向：&bull 新型范德华电荷转移材料的识别，有望为稳健的n型和p型接触提供平台，电阻可能接近或优于目前报告的最低值。&bull 新接触方案的实现，为理解和操控TMD异质结构中出现的各种相关基态的输运特性提供了新的机会。 【科学图文】图1：电荷转移接触结构。图2：低密度硒化钨WSe2的输运性质。图3： 低密度金属－绝缘体转变metal–insulator transition，MIT。图4：观察分数量子霍尔效应。 【科学启迪】本研究开创性地展示了通过电荷转移接触实现高性能电输运特性的可能性。这一创新方法为二维半导体器件的设计和应用提供了新的思路。通过引入α-RuCl3作为电子受体，作者成功在单层WSe2中实现了高透明p型接触，显著提高了空穴迁移率，并能在极低的载流子密度下进行测量。这一技术突破使得在低温和高磁场下研究二维半导体的量子现象成为可能，尤其是在观察低温金属-绝缘体相变和分数量子霍尔效应方面，提供了新的实验平台。范德华组装的设计灵活性也表明，这种电荷转移结构可以广泛应用于各种依赖二维半导体电输运的器件中，包括那些在室温下运行的设备。未来，通过优化器件组装和接触界面的掺杂剖面设计，电接触性能有望进一步提升。此外，识别和引入新型范德华电荷转移材料，将有助于开发出更加稳健的n型和p型接触，可能接近或超越目前少层TMDs中最低电阻值。这些技术进展不仅推动了基础物理研究的发展，还为下一代高性能电子器件的设计和制造奠定了基础，有望在未来的量子计算和高效电子器件领域产生深远影响。原文详情：Pack, J., Guo, Y., Liu, Z. et al. Charge-transfer contacts for the measurement of correlated states in high-mobility WSe2. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01702-5