Phân tích bề mặt đa kỹ thuật để xác định đặc tính cấu trúc và hóa học của vật liệu 2D

Giới thiệu

Các vật liệu hai chiều (2D) như graphene, boron nitride lục giác, kim loại chuyển tiếp dichalcogenide, MXenes, v.v. hiện đang đi đầu trong nghiên cứu vật liệu vì chúng mở ra con đường đến công nghệ mới, đặc biệt là điện tử.1 Các hợp chất này cho phép các nhà khoa học và nhà nghiên cứu tạo ra một thư viện vật liệu mới bằng cách hình thành các cấu trúc dị thể của vật liệu dày lớp nguyên tử, cho phép tạo ra các tính chất phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.1,2 Nhưng việc phát triển và sản xuất loại vật liệu mới này cũng đòi hỏi sự tiến bộ trong công nghệ để mô tả chính xác các vật liệu dày lớp nguyên tử như vậy. Hệ thống phân tích bề mặt Nexsa tích hợp độc đáo XPS với quang phổ Raman có thể được sử dụng để khảo sát thành phần, mức độ kết tinh, tạp chất, ứng suất/biến dạng hoặc độ dày của vật liệu 2D. Với cả hai kỹ thuật đồng thời, cho phép thu thập phân tích từ cùng một vị trí, kết quả là phân tích toàn diện hơn về mẫu từ một thiết bị đa năng.

Trong ghi chú ứng dụng này, chúng tôi chứng minh cách dễ dàng tìm thấy các mảnh boron nitride, có mặt trên bề mặt chất nền tại các vị trí riêng biệt, bằng cách sử dụng công nghệ XPS SnapMap sử dụng Hệ thống phân tích bề mặt Nexsa. Có thể thu được bản đồ thành phần hóa học chi tiết trong vòng vài phút trên toàn bộ chất nền cho phép nhận dạng nhanh các mảnh 2D. Sau đó, có thể thu được phổ Raman tại các vùng quan tâm để nghiên cứu cấu trúc tinh thể hoặc ứng suất hoặc biến dạng trong vật liệu 2D. Phổ XPS và Raman đều là các công cụ nhanh và không phá hủy, và sự kết hợp của cả hai trong một thiết bị cho phép người dùng thu được thông tin hóa học cũng như cấu trúc phân tử đồng thời, mà không cần phải di chuyển mẫu giữa các thiết bị khác nhau, với khó khăn đi kèm là tìm cùng một vị trí.

Thí nghiệm và kết quả

XPS SnapMap được sử dụng để xác định vị trí của các mảnh BN có trên lá Cu như thể hiện trong Hình 1a. Vì độ nhạy đỉnh đối với N1s cao hơn nhiều so với B1s, nên toàn bộ bề mặt của mẫu được lập bản đồ cho N1s. Cường độ tổng thể của đỉnh N1s trên toàn bộ mẫu được thể hiện trong Hình 1b cho thấy sự hiện diện của nitơ trên toàn bộ chất nền Cu. Phân tích trạng thái hóa học chi tiết của bản đồ N1s sử dụng phần mềm Thermo Scientific™ Avantage™ (có trong tất cả các thiết bị XPS) cho thấy nitơ có mặt ở hai trạng thái hóa học, nitơ hữu cơ và nitrua. Bản đồ trạng thái hóa học và phổ XPS trung bình từ hai trạng thái hóa học của N1s được thể hiện trong Hình 1c và 1d.

Sau đó, một điểm tia X có kích thước 30 μm được sử dụng để tạo ra ảnh SnapMap N1s, của khu vực được phóng to như thể hiện trong ảnh quang học từ camera hệ thống ở Hình 2a. Điều này tương ứng với khu vực mà nitride được nhìn thấy trong ảnh N1s có độ phân giải thấp. Mỗi pixel trong ảnh SnapMap có một quang phổ tương ứng cho phép người dùng xử lý dữ liệu theo cùng một cách như quang phổ XPS thông thường, tạo ra cùng một thông tin về trạng thái hóa học và do đó hiển thị sự phân bố của nó trên bề mặt. Hình 2b cho thấy SnapMap của N1s cho thấy sự hiện diện của nitơ hữu cơ (vùng màu xanh lá cây) và nitride (vùng màu đỏ). Quang phổ khảo sát tại các điểm đã chọn (P1 và P2) trong Hình 2b cho thấy sự hiện diện của sự đóng góp boron (B1s) chỉ từ vùng màu đỏ chứ không phải từ vùng màu xanh lá cây như thể hiện trong Hình 2c. Do đó, hình ảnh XPS đã xác nhận sự hiện diện và vị trí của các vảy BN.

Sau đó, quang phổ có độ phân giải cao của B1 và N1 được thu thập để xác định trạng thái hóa học của vảy BN.

Phổ B1s (Hình 3a) cho thấy sự hiện diện của tạp chất clorua vô cơ ngoài các đỉnh do boron oxynitride và boron nitride. Phổ N1s (Hình 3b) cũng cho thấy sự đóng góp từ oxynitride ngoài nitride, xác nhận các mảnh đã bị oxy hóa.

BN tồn tại ở hai dạng đa hình khác nhau, pha lục giác và hình thoi liên kết sp2 và pha lập phương và wurtzite liên kết sp3. BN lập phương thuộc về cấu trúc kiểu pha trộn kẽm và phonon TO hoạt động Raman ở 1055 cm-1 và phonon LO ở 1304 cm-1.3.

Ngược lại, đối với BN lục giác, phonon năng lượng cao hoạt động Raman E2g ở 1366 cm-1.3 Do đó, phổ Raman có thể được sử dụng để đánh giá cấu trúc của vật liệu trái ngược với XPS, cung cấp dấu vân tay hóa học. Hình 4 cho thấy phổ Raman tại cùng một điểm P1 (trong Hình 2b) cho thấy sự hiện diện của chế độ phonon E2g ở 1366 cm-1, xác nhận rằng các mảnh BN trên mẫu là pha lục giác.

Kết luận

Chúng tôi đã trình bày một nghiên cứu chuyên sâu về hóa học và cấu trúc trên các mảnh BN được đặt ngẫu nhiên trên một chất nền lá đồng. Các phép đo của chúng tôi cho thấy cách người dùng có thể định vị các đặc điểm nano riêng biệt bằng phương pháp XPS SnapMap, xác định thành phần hóa học từ dữ liệu XPS có độ phân giải cao và xác định đồng thời các đặc điểm cấu trúc và quang phổ Raman bằng Hệ thống phân tích bề mặt Nexsa.

Tài liệu tham khảo

1. Novoselov, K. S., Jiang, D., Schedin, F., Booth, T. J., Khotkevich, V. V., Morozov, S. V., & Geim, A. K. (2005).Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(30), 10451-10453.

2. Novoselov, K. S., and Neto, A. C. (2012). Two-dimensional crystals-based heterostructures: materials with tailored properties. Physica Scripta, 2012(T146), 014006.

3. Reich, S., Ferrari, A. C., Arenal, R., Loiseau, A., Bello, I., & Robertson, J. (2005). Resonant Raman scattering incubic and hexagonal boron nitride. Physical Review B, 71(20), 205201.

Để biết thêm chi tiết về Đặc điểm XPS và Application Note hoàn chỉnh, xin vui lòng liên hệ ADGroup.