Caratterizzazione di materiali sensibili tramite SEM-FEG in GloveBox

I materiali bidimensionali (2D) rappresentano una frontiera entusiasmante nella scienza dei materiali, ma la loro stessa natura li rende spesso intrinsecamente instabili. A causa dell’elevato rapporto superficie-volume, sono infatti estremamente sensibili a fattori ambientali come umidità, ossigeno e contaminanti, che possono causare la loro degradazione o modifiche chimiche in condizioni ambientali. Questa sensibilità ha posto sfide significative alla loro caratterizzazione e analisi.

Per affrontare questi problemi, il team del Professor Lin Junhao presso la Southern University of Science and Technology (SuSTech) ha sviluppato un sistema unico: il Glovebox Interconnected System (GIS). Questo sistema rivoluzionario consente di condurre tutto il lavoro in un ambiente contiguo, incapsulato e inerte, preservando così l’integrità dei delicati materiali 2D durante le numerose analisi cui vengono sottoposti.

Il vantaggio chiave del sistema GIS è la sua integrazione senza soluzione di continuità. Tipicamente, i materiali 2D sensibili devono essere spostati da una glovebox all’altra e l’esposizione all’atmosfera può portare alla contaminazione. Il GIS elimina questo passaggio, riunendo tutte le attrezzature necessarie in un unico spazio controllato. Ciò significa che l’intero processo, dalla crescita del materiale alla sua caratterizzazione preliminare, dalla modifica al trasferimento per la caratterizzazione ad alta risoluzione, può essere eseguito senza che il campione esca dall’ambiente inerte della glovebox. Le analisi possibili includono TEM, STM, MOKE e PPMS, consentendo ai ricercatori di effettuare una vasta gamma di caratterizzazioni strutturali ad alta risoluzione e in condizioni sicure.

Un componente fondamentale della configurazione GIS è il SEM-FEG da banco Phenom Pharos, il primo SEM di questo tipo ad essere ospitato direttamente in una glovebox. Questo strumento offre una risoluzione di 2.0 nm a 20 kV ed è dotato di spettroscopia a dispersione di energia (EDS) integrata. Il Phenom Pharos Desktop SEM è in grado di acquisire immagini rapidamente, ispezionare la superficie e analizzare la composizione dei materiali 2D subito dopo la loro creazione. La semplicità d’uso ed il suo design compatto lo rendono perfetto per gli spazi ristretti di una glovebox, mentre il controllo integrato delle vibrazioni permettono di acquisire immagini stabili.

Questo è particolarmente cruciale quando si schermano campioni prodotti con Chemical Vapor Deposition (CVD), che spesso contengono fasi multiple sconosciute del materiale target. Il team di Lin ha anche integrato un evaporatore a fascio elettronico che può essere collegato al GIS per la litografia a fascio elettronico, consentendo la fabbricazione completa di nano-dispositivi all’interno del GIS utilizzando l’interfaccia di programmazione (PPI) del SEM, senza esposizione all’aria.

Un esempio notevole dell’applicazione del GIS è lo studio del cloruro ferroso (FeCl₂). Questo materiale 2D magnetico a transizione di metallo è estremamente sensibile. È stato preparato tramite la riduzione del tricloruro (FeCl₃) e successivamente preservato intatto per lunghi periodi nell’atmosfera di azoto del GIS. Le immagini acquisite utilizzando il Phenom Pharos Desktop SEM all’interno del GIS hanno mostrato sia immagini SEM che mappe EDS, rivelando una distribuzione elementare uniforme di ferro (rosso) e cloro (verde) con un rapporto atomico Fe/Cl di 1:1.9.

Questo rapporto è un indicatore critico del successo della sintesi del FeCl₂ 2D tramite riduzione di FeCl₃. Il team del Professor Lin sottolinea che solo il sistema GIS-SEM può gestire efficacemente materiali così delicati. Infatti, quando esposto all’aria, il FeCl₂ deliquesce in meno di 10 secondi. Altri materiali sensibili, come il ditellururo di tungsteno (WTe₂) preparato con CVD, mostrano danni estesi se esposti all’aria, danni che non sono presenti nei campioni preparati e analizzati nel GIS.

Figura 2. Immagini ottenute mediante microscopia elettronica a scansione in trasmissione (STEM) di un monostrato di ditellururo di tungsteno (WTe₂) prodotto tramite CVD. Quando esposto all’aria (A), il campione mostra danni estesi che non sono presenti nel campione preparato con GIS (B).

L’integrazione di un microscopio elettronico a scansione, come il Phenom Pharos Desktop SEM, direttamente in un ambiente glovebox rappresenta un’innovazione significativa nello studio dei materiali instabili. Questo approccio pionieristico apre nuove possibilità per la ricerca e la comprensione approfondita di materiali 2D estremamente sensibili.