التقشير الكهروكيميائي لإنتاج الفوسفور الأسود عالي الجودة

نقدم إجراء خطوة بخطوة للتقشير الكهروكيميائي للفوسفور الأسود (BP) ، وهو أحد أكثر المواد ثنائية الأبعاد الناشئة الواعدة مع تطبيقات في الإلكترونيات (البصرية) ، من بلوراته السائبة ، بالإضافة إلى التوصيف المورفولوجي عن طريق الفحص المجهري الإلكتروني الماسح ، ومجهر القوة الذرية ، والفحص المجهري الإلكتروني للإرسال.

للحصول على مواد ثنائية الأبعاد (2D) عالية الجودة من البلورات الضخمة ، يعد التفريغ تحت محفز يتم التحكم فيه خارجيا أمرا بالغ الأهمية. يتطلب التقشير الكهروكيميائي للمواد ذات الطبقات أجهزة بسيطة ولكنه يوفر مواد ثنائية الأبعاد مقشرة عالية الجودة مع عوائد عالية وميزات قابلية للترقية مباشرة. لذلك ، فهي تمثل تقنية رئيسية للنهوض بالدراسات الأساسية والتطبيقات الصناعية. علاوة على ذلك ، فإن قابلية معالجة الحل للمواد ثنائية الأبعاد الوظيفية تتيح تصنيع الأجهزة الإلكترونية والطاقة (البصرية) عبر تقنيات الطباعة المختلفة مثل الطباعة النافثة للحبر والطباعة ثلاثية الأبعاد. تقدم هذه الورقة بروتوكول التقشير الكهروكيميائي لتخليق الفوسفور الأسود (BP) ، وهو أحد أكثر المواد الناشئة الواعدة ثنائية الأبعاد ، من بلوراته السائبة بطريقة خطوة بخطوة ، وهي التقشير الكهروكيميائي الكاثودي لضغط الدم في وجود N (C₄H₉) ₄∙HSO₄ في كربونات البروبيلين ، وتحضير التشتت عن طريق الصوتنة والطرد المركزي اللاحق لفصل الرقائق ، والتوصيف المورفولوجي عن طريق الفحص المجهري الإلكتروني (SEM) ، والفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) ، والفحص المجهري الإلكتروني للإرسال (TEM).

نظرا لخصائصها الميكانيكية والكهربائية والبصرية المتفوقة مقارنة بنظائرها السائبة ذات الطبقات ، جذبت المواد ثنائية الأبعاد اهتماما كبيرا بين المجتمع العلمي. نظرا لكونه السلف والأكثر دراسة من بين جميع المواد ثنائية الأبعاد لعدة عقود ، لا يزال الجرافين في دائرة الضوء على الاكتشافات المتطورة مثل الأغشية¹ ، وأجهزة الاستشعار² ، والمحفزات³ ، وتقنيات الطاقة⁴ ، والأجهزة العكسية الطوبولوجية⁵ ، وفيزياء المادة^{المكثفة 6}. مستوحاة من ذلك ، تم تصنيع العديد من المواد ثنائية الأبعاد الأخرى والتحقيق فيها ، مثل الكالكوجينيدات المعدنية⁷ ، والهيدروكسيدات المزدوجة ذات الطبقات⁸ ، ونتريد البورون⁹. بما في ذلك أحدث الإضافات إلى عائلة المواد ثنائية الأبعاد (أي الفوسفورين¹⁰) ، MXenes (كربيدات معدنية ثنائية الأبعاد أو نيتريدات) ¹¹ ، والبوليمرات ثنائية الأبعاد (أحادية / قليلة الطبقة معدنية ثنائية الأبعاد / أطر عضوية تساهمية) ^12،13 ، نمت عائلة المواد ثنائية الأبعاد لتتكون من أكثر من 150 عضوا تتميز بالعوازل الجوهرية وأشباه الموصلات وأشباه المعادن والمعادن¹⁴.

المواد ثنائية الأبعاد الناشئة ، مثل BP^{15،16،17،18،19،20،21،22} ، ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS₂) ^{23،24،25،26} ، والسيلينيد الإنديوم (III) (في₂Se₃) ^27،28،29، وقد أظهرت إمكانات كبيرة في الاكتشافات العلمية. ومع ذلك ، لتوسيع خصائصها الفيزيائية والكيميائية الممتازة إلى نطاق عياني ، هناك حاجة ماسة إلى طرق فعالة وقابلة للتكرار ومنخفضة التكلفة. يعد التقشير الكهروكيميائي نهجا واعدا للإنتاج الراقي لمثل هذه المواد ثنائية الأبعاد^30،31 ، ويرجع ذلك أساسا إلى حقيقة أنه يمكن أن يوفر مقاييس جرام من مواد مقشرة عالية الجودة وقابلة للتشتت في دقائق إلى بضع ساعات بسبب الإقحام الفعال للأيونات تحت القوة الكهربائية.

يوضح الفيديو المصاحب الإنتاج خطوة بخطوة لتشتت BP ، وهي واحدة من أكثر المواد ثنائية الأبعاد الناشئة الواعدة مع تطبيقات في الإلكترونيات (البصرية) ، باستخدام التقشير الكهروكيميائي ، يليه الصوتنة والطرد المركزي لفصل الرقائق عن الجسيمات غير المقشرة ، وإعداد تشتت رقائق BP المقشرة في مذيبات مختلفة ، والتوصيف المورفولوجي بواسطة SEM ، AFM و TEM.

ملاحظة: انظر جدول المواد للحصول على تفاصيل تتعلق بالمواد والمعدات المستخدمة في هذا البروتوكول.

1. تخليق الفوسفور الأسود (BP) عن طريق التقشير الكهروكيميائي

1. قم بتقطيع القطع الكبيرة من بلورة BP إلى قطع صغيرة ~ 1-2 مم (≤5 مجم) وحصرها داخل شاش بلاتيني لتكون بمثابة الكاثود.
2. قطع قطعة من ورق القصدير البلاتيني بأبعاد ~ 2 سم² لتكون بمثابة الأنود وتثبيتها بحيث تواجه الكاثود وتبعد عنها 2 سم.
3. لتحضير المنحل بالكهرباء ، قم بإعداد محلول جديد من 0.1 M tetra-n-butyl-ammonium bisulfate (TBA· HSO₄) في كربونات البروبيلين (استخدم المذيبات اللامائية والغازية). املأ الخلية الكهروكيميائية حتى يصل مستوى المذيب إلى 5 مم على الأقل فوق الجزء العلوي من الأقطاب الكهربائية (الشكل 1C).
4. قم بتطبيق جهد التيار المستمر -8.0 فولت لبدء التفريغ. لمنع التدهور أثناء التقشير ، قم بتنفيذ العملية برمتها تحت جو خامل (على سبيل المثال ، داخل صندوق قفازات تحت الأرجون أو النيتروجين).
   ملاحظة: ليست هناك حاجة للتطهير المستمر للإلكتروليت بواسطة الغازات الخاملة.
5. عند الانتهاء من التفريغ (تأكد من عدم وجود جيل مرئي من ضغط الدم الموسع) ، انقل المنحل بالكهرباء بالكامل ، بما في ذلك رقائق BP المقشرة والجزيئات الأكبر غير المقشرة ، إلى أنبوب طرد مركزي سعة 50 مل.
6. جهاز طرد مركزي عند 5,292 × جم عند 15 درجة مئوية لمدة 10 دقائق. تخلص من المنحل بالكهرباء ، أضف 35 مل من كربونات البروبيلين الطازجة إلى الراسب ، ورجها برفق. كرر عملية الطرد المركزي والغسيل 2x مع كربونات البروبيلين و 2x مع المذيب النهائي المفضل (على سبيل المثال ، 2-propanol ، N ، N-dimethylformamide [DMF] ، أو N-methyl-2-pyrrolidone [NMP]).
7. أضف 5-50 مل من المذيب المطلوب إلى المنتجات المترسبة (اعتمادا على نطاق التركيز المطلوب) وصوتنة خليط المنتج الناتج في حمام صوتنة مبرد بالثلج لمدة 10 دقائق.
8. قم بالطرد المركزي للخليط عند 5,292 × جم عند 15 درجة مئوية لمدة 10 دقائق لإزالة رقائق BP ذات الطبقات السميكة.
9. صب المادة الطافية التي تحتوي على رقائق BP أحادية الطبقة وقليلة الطبقات (<10 طبقات) في حاوية نظيفة واحتفظ بها في صندوق القفازات لمزيد من التوصيف أو تصنيع الجهاز.
10. احسب مردود التفريغ (η) باستخدام صيغة العائد الوزني التي تمثلها المعادلة (1):
    η = م₁ / م₂ × 100٪ (1)
    حيث يمثل m₂ كتلة بلورة BP الأولية و m₁ وزن رقائق BP المشتتة.
11. لتحديد م₁ ، قم بقياس وزن ضغط الدم الذي تم جمعه من الترشيح الفراغي لحجم معين من تشتت ضغط الدم (على سبيل المثال ، 0.5 مل). استخدم غشاء بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE) (حجم المسام 0.2 ميكرومتر) للترشيح الفراغي.
12. للتخزين طويل الأجل ، أغلق غطاء زجاجة الحاوية واحتفظ به داخل صندوق القفازات (حتى 3 أشهر).

2. إعداد العينة للتوصيف بواسطة SEM و SEM-EDS و AFM و TEM

ملاحظة: لاستكشاف الجودة والجوانب المورفولوجية لرقائق BP المركبة ، من الضروري إجراء توصيفات مثل SEM³² (لدراسة التشكل السطحي لرقائق BP) ، SEM-EDS³³ (للتحليل الأولي للرقائق) ، AFM^34،35 (لتحليل سمك الرقائق وحجمها الجانبي) ، و TEM^{36 ، 37} (للكشف عن العيوب الهيكلية وشكل وحجم رقائق BP). يتم شرح بروتوكولات تحضير العينات لتقنيات التوصيف المذكورة أعلاه أدناه (الأقسام 2.1-2.4). للاطلاع على الإجراءات التشغيلية لتقنيات التوصيف المذكورة أعلاه، يرجى الرجوع إلى المراجع المذكورة^{32،33،34،35،36،37}.

1. تحضير عينة للتوصيف بواسطة SEM
   1. اقطع قطعة صغيرة (بأبعاد حوالي 5-7 مم) من رقاقة السيليكون.
   2. نظف قطعة رقاقة السيليكون باستخدام الأسيتون والميثانول والماء على التوالي. ثم جفف الركيزة عن طريق نفخ الهواء المضغوط أو النيتروجين فوقها.
   3. قم بإعداد تشتت مخفف بسعة 0.5 مل لتشتت BP المحضر في القسم 1 عن طريق إضافة iso-propanol اللامائي للوصول إلى تركيز ~ 0.01 مجم / مل.
   4. قم بتدوير 1-2 قطرات من التشتت المخفف المحضر على الركيزة النظيفة والجافة في صندوق القفازات واتركها تجف على لوح تسخين عند 100 درجة مئوية لمدة 6 ساعات (في صندوق القفازات). بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة ، استخدم العينة للتوصيف.
2. تحضير عينة للتوصيف بواسطة SEM-EDS
   1. اتبع الإجراء المذكور في القسم 2.1؛ ومع ذلك ، قم بإعداد تشتت أكثر تركيزا يبلغ ~ 0.1 مجم / مل بدلا من التشتت المذكور في الخطوة 2.1.3.
3. تحضير عينة للتوصيف بواسطة AFM
   1. اتبع الإجراء المذكور في القسم 2.1؛ ومع ذلك ، استخدم رقاقة أكسيد السيليكون بدلا من رقاقة السيليكون المذكورة في الخطوة 2.1.1.
4. تحضير عينة للتوصيف بواسطة TEM
   1. إعداد التشتت المخفف لضغط الدم كما هو موضح في القسم 2.1.3.
   2. قم بإلقاء قطرة واحدة من التشتت على شبكات الكربون الدقيقة. استخدم العينة للتوصيف بواسطة TEM بعد تجفيفها في غلاف أرجون صندوق القفازات (بدون تسخين إضافي) لمدة 24 ساعة.

يوضح الشكل 1 التقشير الكهروكيميائي لبلورات BP ، وآلية إقحام TBA · HSO₄ والتفريغ اللاحق ، وإعداد خلية التفاعل.

الشكل 1: عرض تخطيطي لآلية التقشير الكهروكيميائي لبلورات الفوسفور الأسود وإعداد التفاعل. (أ) التقشير الكهروكيميائي لبلورات BP ، (ب) آلية إقحام TBA · HSO₄ والتفريغ اللاحق ، و (ج) إعداد خلية التفاعل. تم تعديل هذا الرقم من Yang et ^al.15. حقوق الطبع والنشر 2018 ، جون وايلي وأولاده. الاختصارات: BP = الفوسفور الأسود. يحدد لاحقا· HSO₄ = رباعي ن-بوتيل الأمونيوم ثنائي الكبريتات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

كاتيونات الأمونيوم الرباعية ، مثل كاتيون رباعي ميثيل الأمونيوم (TMA ⁺ 0.56 نانومتر) ، وكاتيون رباعي إيثيل الأمونيوم (TEA ⁺ 0.67 نانومتر) ، وكاتيون رباعي الأمونيوم (TBA ⁺ 0.83 نانومتر) ³⁸ ، لها أقطار أكبر من التباعد بين المستوي ل BP (d = 0.53 نانومتر). نتيجة لذلك ، عند تطبيق جهد -8.0 فولت ، تتمدد بلورات BP المحصورة داخل شاش Pt وتبدأ في إيجاد طريقها للخروج من شاش Pt إلى محلول المنحل بالكهرباء جنبا إلى جنب مع تكوين فقاعة خفيفة في غضون فترة زمنية قصيرة قدرها 15 دقيقة في محلول TBA · HSO₄ (الشكل 2). على النقيض من ذلك ، TMA · HSO₄ والشاي · ينتج عن HSO₄ تمدد أقل يستمر لأكثر من 1 ساعة.

الشكل 2: التقشير الكهروكيميائي لبلورات BP. التقشير الكهروكيميائي لبلورات BP في 0.1 M TBA · HSO₄ في كربونات البروبيلين عند -8.0 فولت على مدار 60 دقيقة. تم اقتباس هذا الرقم من Yang et ^al.15. حقوق الطبع والنشر 2018 ، جون وايلي وأولاده. الاختصارات: BP = الفوسفور الأسود. يحدد لاحقا· HSO₄ = رباعي ن-بوتيل الأمونيوم ثنائي الكبريتات. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

بدون تطبيق الجهد الكهربائي ، كاتيونات TBA ⁺ ، وهي أكبر من TMA · HSO₄ والشاي · لا يمكن أن يتداخل HSO₄ وله كثافة شحنة أقل في بلورات BP¹⁵. غلة تفريغ BP في محلول TBA · يتم توضيح HSO₄ في كربونات البروبيلين ، مثل المنحل بالكهرباء ، في إمكانات وموليرات مختلفة في الشكل 3.

الشكل 3: عائد التفريغ في TBA · HSO₄ في محلول كربونات البروبيلين. ينتج في مختلف (أ) الإمكانات المطبقة و (ب) تركيزات المنحل بالكهرباء. تم تعديل هذا الرقم من Yang et ^al.15. حقوق الطبع والنشر 2018 ، جون وايلي وأولاده. اختصار: TBA· HSO₄ = ثنائي كبريتات tetra-n-butyl-ammonium الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تتمثل إحدى مزايا التقشير الكهروكيميائي المقدم في إمكانية إنتاج تشتتات رقائق BP في سلسلة من المذيبات المرغوبة (على سبيل المثال ، 2-بروبانول ، DMF ، NMP) بالتركيزات المطلوبة (10-100 ميكروغرام مل ^─1) ، اعتمادا على التطبيق المستهدف. من خلال إضافة مذيب أقل في خطوة الصوتنة ، من الممكن الحصول على تشتتات أكثر تركيزا (راجع قسم البروتوكول 1.7). نظرا لعدم الاستقرار الكيميائي لضغط الدم المقشر ، يوصى باستخدام مذيبات منخفضة نقطة الغليان ، مثل 2-بروبانول (مما يسهل إزالة المذيبات في درجات حرارة منخفضة). يكون تشتت ضغط الدم في 2-بروبانول مستقرا لمدة تصل إلى 3 أيام.

يوضح الشكل 4 أ ، ب صور التسويق عبر محرك البحث لرقائق ضغط الدم ذات الأشكال غير المنتظمة وتوزيع الحجم الواسع (≥2 ميكرومتر في المتوسط ، وفي بعض الحالات ، 20.6 ميكرومتر). كشف التحليل الإحصائي لأكثر من 300 رقائق (الشكل 4H) عن توزيع حجم ثنائي النمط مع أوضاع مرتبطة ب 1.2 ميكرومتر² و 3.9 ميكرومتر². يمكن تعيين ذلك لعملية التجزئة الجانبية عندما تنقسم الرقائق الكبيرة إلى أجزاء أصغر. أكثر من 70٪ من الرقائق يبلغ حجمها حوالي 10 ميكرومتر² . بينما في حالة تقشير المرحلة السائلة ، يكون متوسط أبعاد رقائق BP أقل من 1.0 ميكرومتر² نتيجة للتجزئة التي تحدث أثناء عمليات صوتنة طويلة وقاسية (على سبيل المثال ، لمدة 4 ساعات) ³⁹.

الشكل 4: الفحص المجهري لرقائق BP. (أ ، ب) صور التسويق بالموجات محركات البحث لرقائق ضغط الدم التي تم الحصول عليها عن طريق التقشير الكهروكيميائي. (ج، د) صور TEM لرقائق BP ، و (E) نمط حيودها. (و) صور TEM عالية الاستبانة و (G) AFM لرقائق BP. يتم توضيح السماكات المقاسة لثلاث رقائق عشوائية (2.3 نانومتر و 3.8 نانومتر و 4.5 نانومتر). (ح) تحليل الحجم الجانبي لرقائق ضغط الدم الفردية المختارة عشوائيا. (ط) الحساب الإحصائي لمتوسط سمك رقائق BP وفقا لبيانات AFM. تم تعديل هذا الرقم من Yang et ^al.15. حقوق الطبع والنشر 2018 ، جون وايلي وأولاده. أشرطة المقياس = (F) 1 نانومتر ، (D) 0.5 ميكرومتر ، (C) 1 ميكرومتر ، (A ، G) 2 ميكرومتر. الاختصارات: BP = الفوسفور الأسود. SEM = مسح المجهر الإلكتروني ؛ TEM = الفحص المجهري الإلكتروني للإرسال. AFM = مجهر القوة الذرية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تم استخدام TEM للتحقيق في التركيب البلوري لصفائح BP. تظهر صور TEM رقائق BP رقيقة وكبيرة (الشكل 4C ، D). يوضح الشكل 4E نمط الحيود مع الوجه 002 (المقابل ثابت الشبكة 0.44 نانومتر) و 200 وجه (المقابل ثابت الشبكة 0.34 نانومتر). توضح صورة TEM عالية الدقة شبكة خالية من العيوب مع بنية متعامدة متماثلة (الشكل 4F) ، والتي تتفق مع السمات البلورية الجوهرية ل BP البكر. كما هو محدد بواسطة AFM (الشكل 4G) ، يبلغ سمك رقائق BP 1.3-9.5 نانومتر. المتوسط المقدر للسمك للرقائق التي تم الحصول عليها عن طريق عد أكثر من 100 رقائق عشوائية هو 3.7 نانومتر ± 1.3 نانومتر (يعادل 4-10 طبقات. الشكل 4I)¹⁵. من الجدير بالذكر أنه بالنسبة لرقائق BP المعالجة بالمحلول ، عادة ما يكون هناك احتمال كبير للمبالغة في تقدير الارتفاعات المقاسة بواسطة AFM بسبب الكميات الضئيلة من المذيبات واحتمال التصاق الشعيرات الدموية⁴⁰. ومع ذلك ، فإن تغطية رقائق BP المفككة بطبقة رقيقة من المذيبات تقلل من الأكسدة المحيطة وتطيل من ثباتها لمدة تصل إلى 5 أيام¹⁵.

تم إجراء رسم الخرائط الأولية ل P و C باستخدام التحليل الطيفي المشتت للطاقة SEM (SEM-EDS) على طبقة رقيقة BP (تم الحصول عليها من الترشيح الفراغي) متصل بشريط كربون موصل (الشكل 5). يوضح الشكل 5E ، F بوضوح الكثافة العالية ل P في الأغشية الرقيقة BP و C في شريط الكربون الموصل.

الشكل 5: فيلم BP. (أ) غشاء رقيق من BP يتم الحصول عليه عن طريق الترشيح الفراغي. (ب-د) مورفولوجيا سطح وحواف فيلم BP (متصل بشريط كربون موصل لتصوير SEM). (ه، و) رسم خرائط العناصر P و C لفيلم BP (على شريط كربون موصل) ، على التوالي. تم تعديل هذا الرقم من Yang et ^al.15. حقوق الطبع والنشر 2018 ، جون وايلي وأولاده. أشرطة المقياس = (B) 1 ميكرومتر ، (C) 10 ميكرومتر ، (D) 250 ميكرومتر. الاختصارات: BP = الفوسفور الأسود. SEM = الفحص المجهري الإلكتروني الماسح. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

BP لها تكوين غلاف تكافؤ من 3s² 3p³ ، وتمتلك كل ذرة فوسفور زوجا من الإلكترونات وحيدة ، مما يجعل ذرات الفوسفور عرضة للتحلل التأكسدي السريع في وجود الأكسجين والماء والضوء⁴¹. لمنع التدهور ، يوصى باستخدام المذيبات والكواشف المنزوعة الغاز واللامائية وتنفيذ عملية الإنتاج في جو خامل.

أثناء تقشير بلورات BP ، يتم تقليل جزء من H ⁺ المنتج (المعادلة 1 والمعادلة 2) عند واجهات BP ، مما يشكل فقاعات H₂ (المعادلة 3) التي تزيد من تباعد الطبقات البينية وتعزز إقحام الكاتيونات الأكبر من TBA ⁺ في طبقات BP (الشكل 1 ب).

يحدد لاحقا· HSO₄ تيرابايت ⁺ + HSO₄^─ (1)

HSO₄^─ SO₄^2─ + H⁺ (2)

2 ح⁺ + 2 ه^─ → ح₂ (3)

في الوقت نفسه ، يخضع جزء من H ⁺ للتخفيض التحفيزي على سطح شاش Pt ، مكونا فقاعات صغيرة (المعادلة 4 والمعادلة 5). هذا الجزء الأخير من إطلاق الغاز لا يساهم في كفاءة التقشير الشاملة. عند الفولتية السلبية أكثر من -8.0 فولت ، وخاصة أكثر سالبة من -12 فولت ، يصبح تكوين الفقاعة هذا أكثر وأكثر هيمنة وينتج عنه تقليل عائد التفريغ (الشكل 3 أ).

_{إعلانات} ^H+ + e^─ → H (4)

2 ح⁺ + 2 ه^─ → ح₂ (5)

لوحظ الحد الأقصى لعائد التقشير (78 بالوزن ٪) عندما يكون 0.1 م من TBA · تم استخدام HSO₄ في كربونات البروبيلين. تركيزات TBA· كان ل HSO₄ أكثر من 0.2 م تأثير سلبي على محصول المنتج المقشر (الشكل 3 ب) ¹⁵.

كمذيب قطبي ، تتمتع كربونات البروبيلين بثبات عال ضد الاختزال الكاثودي⁴². لها توتر سطحي معتدل (40.8 داين ^{· سم -1}) ⁴³ ، يمكن مقارنته برقائق BP (~ 40 داين ^{· سم -1}) ⁴⁴ ، مما يؤدي إلى تشتت مناسب لرقائق BP. تنشأ البروتونات المذابة من تفكك أنيونات HSO₄ . هذا يدل على الدور المهم لأنيونات ثنائي الكبريتات في عملية التقشير. لم ينتج عن استبدال أنيونات ثنائي الكبريتات ب ClO₄^- أو PF₆^- نتائج مرضية¹⁵.

الميزة الرئيسية للتقشير الكهروكيميائي ل BP مقارنة بالطرق الأخرى هي أنه يسمح بإنتاج تشتت عالي الجودة ومستقر من BP على نطاق مليغرام إلى جرام في مذيبات مختلفة. السبب الرئيسي لذلك هو أن التيار الكهربائي المطبق يدفع الإقحام إلى الأمام دون تطبيق قوة ميكانيكية قوية من خلال خطوات الموجات فوق الصوتية الطويلة والقاسية. لذلك ، فإن رقائق BP التي تم الحصول عليها لها حجم جانبي أكبر مقارنة بتلك التي تم الحصول عليها عن طريق طرق التقشير في الطور السائل. إن تشغيل خطوات التقشير والتشتت الكهروكيميائية بالكامل تحت جو لا مائي وخالي من الأكسجين يمنع الأكسدة غير المرغوب فيها وينتج عنه رقائق BP عالية الجودة وخالية من العيوب. علاوة على ذلك ، يمكن زيادة وظائف تشتت BP عالية الجودة التي تم الحصول عليها عن طريق التقشير الكهروكيميائي لتحسين استقرارها المحيط وخصائصها الكهربائية¹⁶.

الجانب السلبي الوحيد للتقشير الكهروكيميائي ل BP ، مقارنة بطريقة التقشير الميكانيكية ، هو أن طريقة التقشير الكهروكيميائي لها عدة خطوات ، وهي التقشير الكهروكيميائي ، والغسيل المتتالي والطرد المركزي ، وأخيرا ، صوتنة حمام لمسافة ميل.

ميزة أخرى لتخليق تشتت BP بطريقة التقشير الكهروكيميائي هي إمكانية تعديل تشتتات BP التي تم الحصول عليها ، بمتوسط أحجام تقشر مختلفة في مذيبات مختلفة وبتركيزات مختلفة لتطبيقات مختلفة. بالنسبة للتطبيقات العامة ، مثل تصنيع الأجهزة الإلكترونية وتوصيفات رقائق BP أو زيادة وظائفها ، يفضل استخدام التشتتات المخففة في المذيبات ذات نقطة الغليان المنخفضة مثل 2-بروبانول. ومع ذلك ، بالنسبة للطباعة النافثة للحبر للإلكترونيات ، فإن التشتتات الأكثر تركيزا في المذيبات ذات نقطة الغليان العالية ، مثل DMF أو NMP ، تكون أكثر عملية.

بالنسبة لبعض التطبيقات ، مثل الطباعة النافثة للحبر ، يجب تقليل متوسط حجم رقائق تشتت BP المقشر كهروكيميائيا إلى درجة معينة من خلال أوقات صوتنة أطول للحمام (اعتمادا على حجم حجم فوهة خرطوشة الطباعة النافثة للحبر) لمنع انسداد الفوهات. ومع ذلك ، للحصول على تداخل فعال لرقائق BP وتشكيل أنماط مطبوعة موحدة ومستمرة ، لا ينبغي تقليل متوسط حجم الرقائق أكثر من اللازم (>5.0 ميكرومتر²). متوسط حجم التقشر لمشتتات BP الناتجة عن التقشير في الطور السائل ليس كبيرا بما يكفي للطباعة النافثة للحبر القابلة للتكرار وفقا لتجربتنا.

إرشادات استكشاف الأخطاء وإصلاحها
في حالة عدم وجود علامة مرئية على التقشير بعد 15 دقيقة ، يجب فحص إعداد التفاعل الكهروكيميائي والتوصيلات الكهربائية. من الأفضل تجنب زيادة الجهد المطبق المقترح أو تركيز المنحل بالكهرباء أو تقليل المسافة بين الأقطاب الكهربائية. من المهم التأكد من أن منتجات BP المقشرة المتولدة على القطب الكهربائي العامل لا تتلامس مع القطب المضاد لمنع قصر الدائرة. في حالة اقتراب المنتجات المقشرة من القطب المضاد ، يجب النقر على القطب الكهربائي العامل برفق لإزالة المنتجات المقشرة الضخمة والمضبوطة بشكل فضفاض. قد يؤدي هذا إلى زيادة مفاجئة في التيار الكهربائي ، وهو أمر طبيعي وينتج عن زيادة تعرض أسطح بلورات BP الجديدة للإلكتروليت. سينخفض التيار الكهربائي المتزايد مرة أخرى في غضون ثوان قليلة. من الضروري تتبع أي علامة على وجود تلوث عضوي ، كما تظهر بطريقة التوصيف ، والعودة إلى الغسيل والطرد المركزي غير السليمين ، أو جودة المواد الكيميائية المستخدمة ، أو التعامل غير السليم مع التفاعل ، أو عمل التفاعل ، أو إعداد العينة ، أو خطوات التوصيف.

الفوسفور الأسود (BP) هو واحد من أكثر المواد ثنائية الأبعاد الناشئة الواعدة ، مع تطبيقات في أجهزة الكشف الضوئي ، والترانزستورات ذات التأثير الميداني ، وتخزين الطاقة (المكثف الفائق والبطاريات) ، والمحفزات. التقشير الكهروكيميائي هو طريقة متعددة الاستخدامات للغاية لإنتاج مجموعة واسعة من المواد ثنائية الأبعاد من بلوراتها السائبة³⁰ ، مع مزايا فريدة مثل الحصول على رقائق منخفضة العيوب بأحجام جانبية متوسطة أكبر من تلك التي تم الحصول عليها من التقشير في المرحلة السائلة وإمكانية الإنتاج على نطاق واسع والاقتصادي. تقدم هذه المقالة بروتوكولا لإنتاج تشتتات رقائق BP عالية الجودة عن طريق التقشير الكهروكيميائي ، وطرق تحضير العينات لتوصيف رقائق BP المركبة ، وبيانات التوصيف المقابلة.

يعلن أصحاب البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح.

يقر المؤلفون بمنحة ERC Consolidator في T2DCP ، ومشروع M-ERA-NET HYSUCAP ، ومشروع SPES3 الممول من وزارة التعليم والبحث الألمانية (BMBF) في إطار برنامج Forschung für neue Mikroelektronik (ForMikro) ، و Graphene Flagship Core 3 881603 ، والبنية التحتية الناشئة لأبحاث الإلكترونيات المطبوعة (EMERGE). تلقى مشروع EMERGE تمويلا من برنامج Horizon 2020 للبحث والابتكار التابع للاتحاد الأوروبي بموجب اتفاقية المنحة رقم 101008701. يشكر المؤلفون الدكتور ماركوس لوفلر على المناقشات والتوصيف المفيد ويعترفون أيضا بمركز الإلكترونيات المتقدمة في دريسدن (cfaed) ومركز دريسدن للتحليل النانوي (DCN).