大面积空气敏感二维材料的剥离与分析

本方案展示了剥离对空气敏感的二维材料大而薄片的方法，以及如何在手套箱外安全转移这些样品以进行分析。在手套箱内操作时，准备一段长约5至10厘米、宽度至少为2厘米的胶带。

将胶带粘性面朝上放置于工作区域。将两端向上折叠，以便于操作。使用镊子将所需材料放置在胶带长度约四分之一处。

通过反复将其按压到胶带上。再将胶带对折，使其粘附自身后拉开，进一步分散材料，使材料覆盖至少一平方厘米的面积。

从边长小于一厘米的方形基底芯片开始。使用制备好的胶带，将沉积的材料牢固地压在基底上。用拇指用力按压，或用镊子轻轻按压。

使材料尽可能与芯片充分接触。将带有基底的胶带翻转，基底面朝下，置于120摄氏度的加热板上加热两分钟。待基底冷却。

然后小心地将其从胶带上取下。热剥离会比室温剥离留下更多的胶带残留物。但大多数残留物可通过在丙酮中浸泡 20 分钟去除。

随后在异丙醇中处理30秒。转移细胞由金属帽和底座构成，宽30毫米，闭合时高仅17.6毫米。

底座上有一个升高的样品台，可旋入盖帽中。在螺纹上切出的凹槽是一个通气孔，当盖帽旋紧时可防止检测池窗口破裂。注意，盖帽与底座接触处有一个用于放置O型圈的凹槽。

盖子内凹，可容纳一片薄的盖玻片窗口。通过置于细胞室底部的Viton O型圈实现气密密封。在O型圈的所有侧面涂抹少量真空脂。

然后将其放入指定位置。在将窗口固定到池体盖之前，先用丙酮和异丙醇清洗盖子，以去除机械加工过程中残留的任何油渍或碎屑。现在可以使用环氧树脂将窗口连接到池体盖上。

根据制造商的说明充分混合环氧树脂。本实验中，A组分与B组分按1:1.8的重量比混合。取少量环氧树脂涂抹于盖子的凹槽区域，并尽可能均匀地涂布开。

小心地将玻璃窗片放入凹槽中，并轻轻按压使其嵌入环氧树脂。确保窗片与盖帽顶部齐平，且环氧树脂中无气泡。最后，擦去多余的环氧树脂，使盖帽表面无任何突出物。

在室温下按照制造商规定的时间让环氧树脂固化。使用所需的方法将制备好的样品固定到细胞底座上。在关闭细胞之前，手套箱内的压力需低于环境压力三个毫巴。

否则，当从手套箱中取出时，玻璃会破裂。将盖子牢固地拧到基座上，直至盖子与基座完全贴合。检查样品是否位于窗口正下方。

现在可以安全地将样品从手套箱中取出进行分析。若要修复破损的窗口，请戴上护目镜和丁腈手套，并移除未牢固粘附在环氧树脂上的所有碎玻璃。将残留的玻璃打碎，以暴露下方的环氧树脂。

在通风橱中操作，将盖子浸泡于等体积丙酮和三氯乙烯的混合液中 1 至 2 小时，直至环氧树脂软化并开始从盖子上分离。将盖子从丙酮-三氯乙烯混合液中取出，用异丙醇冲洗。

剥离任何松动的环氧树脂，并用刀片将残留的环氧树脂从表面刮除。注意不要损坏帽的表面。如有必要，重复上一步骤。

用丙酮擦洗凹陷区域，直至表面完全清除环氧树脂残留物。随后可按照前述步骤更换细胞窗。将细胞置于显微镜下以识别薄片。

调焦时，应从焦点上方开始并将载物台向下移动，注意避免物镜与窗口发生碰撞。剥离的材料可在5倍、20倍和50倍放大倍数下清晰观察，便于快速识别薄片。

在更高倍率下，窗口引起的球面像差会显著降低图像质量。使用我们的转移池，还可以对空气敏感的二维材料进行多种类型的光学测量。作为最后一个示例，我们采用偏振分辨拉曼光谱法确定了黑磷样品的晶体取向。

进行偏振分辨拉曼光谱测量时，需将激光光斑对准感兴趣的样品薄片。本实验中，我们使用波长为633纳米、功率为50微瓦的激光，以及100倍物镜。

对于黑磷，需要使用低激光功率以防止对薄片造成损伤。拉曼光谱随偏振角的变化而记录，偏振角通过半波片进行调节。

热剥离的目的是产生大量大片状产物，从而提高找到极薄片层的概率。作为对比，图A和图B分别展示了在室温和120摄氏度下典型的黑磷剥离结果。

很明显，B图中的薄片覆盖率是A图的数倍。C图展示了在六种不同的一平方厘米硅片上，室温剥离和加热剥离所得剥离材料的总面积。加热剥离使沉积在硅片上的材料量达到室温剥离的六到十倍。利用我们的转移装置，对空气敏感的二维材料的寿命可得到显著延长。

在空气中几分钟内就会降解的样品，在此条件下可保持数小时稳定。例如，图A至图C表明，存放在手套箱外转移腔室中的三碘化铬在长达15小时内尚未出现可观察到的降解迹象。图D表明，这种对空气极为敏感的材料在暴露于环境大气时，会在数秒内发生水合反应。

最后，我们采用拉曼光谱法测定保存在转移腔室内的黑磷薄片的晶体取向。将激光光斑对准图A中心位置较厚的黑磷薄片，测量激光偏振角度从0度到360度范围内的拉曼光谱。如图B所示，在约361、438和466波数处观察到三个典型的黑磷特征峰。

我们观察到，峰强度随偏振角发生显著调制。图C展示了A2G峰的积分强度随偏振角的变化关系，其最大值出现在26.5度。

由于该模式对应于黑磷扶手椅形边缘方向的面内振动，因此当偏振方向与扶手椅方向平行时，信号最强。因此我们得出结论：该薄片的扶手椅方向相对于图A中的图像呈26.5度角。与室温剥离相比，加热剥离能够产生更多数量的大尺寸薄片。通过保持手套箱的惰性气氛，我们的密封转移装置使得能够在无需将分析设备置于手套箱内的条件下，分离并光学表征对空气敏感的二维材料的薄层样品。