Ekfoliasi Tellurium Trigonal: Menujuri Rantai Tunggal Atom Ultra-Tipis
Abstrak
Kami telah menunjukkan bahwa arsitektur rantai atom bawaan dari tellurium (Te) trigonal memungkinkan ekfoliasi mekanisnya menjadi flakes dan nanowire sub‑nanometer tebal. Mikroskopi gaya atom (AFM) mengungkapkan bahwa Te dapat dicelah menjadi lapisan tebal 1–2 nm dan nanowire yang lebih sempit dari 100 nm. Spektroskopi Raman mengonfirmasi bahwa bahan yang diekfoliasi mempertahankan tanda getaran massa Te, dengan pengakakan modest sebesar 4 cm⁻¹ dalam mode A₁ dan E. Pemetaan Raman terpolarisasi menyediakan metode yang andal untuk menentukan orientasi kristal dalam nanosheet ini. Hasil ini mendirikan jalur yang mudah untuk mengakses tellurium trigonal skala nano dan menunjukkan kelayakan penciptaan rantai Te yang lebar satu atom.
Latar Belakang
Material satu dimensi (1D)—seperti nanowai karbon dan nanowire semiconductor—telah menarik minat penelitian yang intens karena properti elektronik, optik, dan mekanis yang luar biasa [1,2]. Namun, penerapan praktis telah terhalang oleh tantangan seperti kekacaan kelintaran pada nanowai dan degradasi status permukaan pada nanowire ultrathin [3–6]. Akibatnya, bidang ini sebagian besar beralih ke material lapisan dua dimensi (2D), yang menawarkan ketebalan skala atom sambil mempertahankan kinerja tinggi melalui gaya van der Waals yang lemah di antara lapisan [9–13].
Memetakan paradigma lapisan, padat 1D yang terikat lemah dapat dipandang sebagai material dengan ikatan kovalen yang kuat di sepanjang satu arah kristalografi tetapi hanya interaksi van der Waals di antara rantai. Motif struktural ini membuka kemungkinan untuk menghasilkan kawat atom skala benar dengan diameter hanya beberapa Ångström. Te dan Se trigonal adalah contoh prima: jaring kristal mereka terdiri dari rantai helik yang rata di sepanjang sumbu c, setiap rantai terdiri dari tiga atom per putaran, dengan rantai yang berdekatan disusun heksagonally (Gambar 1) [14–19]. Rantai ini dipertahankan oleh gaya van der Waals, atau lebih akurat, oleh ikatan antarrantai yang lemah [19].
Se dan Te menawarkan keunggulan unik untuk nanoteknologi 1D. Studi teoritis memprediksi jarak energi langsung 1 eV (Te) dan 2 eV (Se), yang sangat bergantung pada ketebalan, yang dapat memungkinkan perangkat optoelektronik yang dapat diatur [19]. Massa atom yang berat dan geometri helik mereka memberikan kopling spin‑orbit yang kuat, kompresibilitas negatif, dan fleksibilitas luar biasa [20–22]. Selain itu, satu rantai Te memiliki penampang segitiga yang hanya 2 Å tinggi, dengan jarak antarrantai 3,4 Å—menjadinya material 1D yang paling tipis yang diketahui [23].
Demonstrasi sebelumnya manipulasi rantai atom melalui mikroskopi tunneling pemindahan, dekorasi langkah substrat, dan pengaturan diri telah menunjukkan konsep ini tetapi kurang skalabilitas dan keanekaragaman bahan [24–27]. Sebaliknya, ekfoliasi mekanis padat 1D yang terikat lemah mungkin mengatasi keterbatasan ini, memungkinkan produksi luas area dari rantai skala nano atau nanowire.
Metode
Kristal tunggal Te trigonal murni diperoleh secara komersial [36] dan dibersihkan pada substrat Si/SiO₂ 90 nm atau 300 nm dengan aseton, isopropanol, dan plasma oksigen untuk meningkatkan adhesi. Ekfoliasi dilakukan dengan meluncurkan aspek Te yang baru dicelah langsung ke substrat—tanpa karet perekat—sambil mengorientasikan sumbu c kristal tegak lurus dengan arah geseran. Teknik “gosok” ini terbukti jauh lebih efektif daripada ekfoliasi karet, kemungkinan mencerminkan ikatan anisotropik dalam padat 1D [37]. Mikroskopi optik digunakan untuk menemukan flakes tipis, yang menunjukkan kontras hijau‑biru khas yang semakin pekat seiring menurunnya ketebalan (Gambar 2a).
a Flakes Te segera setelah ekfoliasi. b Flakes yang sama setelah 3 minggu di udara. c Citra tinggi AFM dari wilayah yang disorot. d Profil tinggi sepanjang garis putih di (c).
Hasil dan Diskusi
Te yang diekfoliasi muncul sebagai pita anisotropik hingga 50 µm panjang (Gambar 2a). AFM menunjukkan tinggi tipikal 10–15 nm, dengan batang yang mencolok yang menunjukkan patahnya rantai secara spontan secara samping dan vertikal—sifat yang tidak ada dalam ekfoliasi lapisan 2D. Secara menonjol, metode geseran menghasilkan nanowire yang tipis hingga 1–2 nm (Gambar 3b–d), yang sesuai dengan dua atau tiga rantai atom (jarak antarrantai 3,4 Å) dan panjang 100–200 nm. Profil tinggi sepanjang sumbu c mengungkapkan kekasaran permukaan yang serupa dengan substrat SiO₂, yang menunjukkan integritas struktural yang tinggi.
Stabilitas lingkungan dievaluasi dengan mengambil citra flakes yang sama setelah 3 minggu paparan udara (Gambar 2b). Tidak ada pembungkakan atau perubahan warna yang diamati, yang kontras tajam dengan degradasi cepat fosfor hitam [38]. Ini menunjukkan bahwa Te ultrathin mempertahankan keandalan kimiawi selama hari hingga minggu, selaras dengan laporan tentang oksidasi Te yang terbatas dalam media air [39].
Spektroskopi Raman juga mengonfirmasi kualitas bahan. Te massa menampilkan puncak A₁ tunggal pada 120 cm⁻¹ dan ganda E pada 92 dan 141 cm⁻¹ (Gambar 4a). Flakes yang diekfoliasi menunjukkan puncak yang sama, tetapi bergeser ke atas sebesar 4 cm⁻¹ untuk A₁ dan 2 cm⁻¹ untuk E, kemungkinan karena pengurangan kopling antarrantai atau regangan yang diinduksi substrat. Pergeseran ini konsisten dengan studi tekanan dan pengukuran sebelumnya dari rantai Te terisolasi dalam pori zeolit, yang menunjukkan pengakakan mode getaran [43,48].
Pemetaan Raman yang teresolusi polarisasi digunakan untuk menentukan orientasi kristal. Memutar polarisasi sinaran insiden mengungkapkan dua maksimum intensitas pada 45° dan 225°, yang rata dengan sumbu c flakes (Gambar 4b). Metode ini memberikan penilaian orientasi yang andal dan non‑destruktif, terutama berharga saat AFM dan citra optik ambigu.
Kesimpulan
Te trigonal menunjukkan arsitektur yang terikat lemah dan kuat yang dapat diekfoliasi secara mekanis menjadi flakes 2D ultrathin dan nanowire 1D. AFM mengonfirmasi lapisan yang tipis hingga 1–2 nm dan nanowire di bawah 100 nm. Spektra Raman cocok dengan massa Te dengan pengakakan sedikit sebesar 4 cm⁻¹, dan Raman terpolarisasi secara andal mengidentifikasi orientasi kristal. Temuan ini mendirikan ekfoliasi sebagai jalur yang viable untuk tellurium trigonal skala nano dan membuka jalan menuju pembuatan rantai Te yang lebar satu atom, baik melalui pemrosesan mekanis yang dilanjutkan atau melalui pertumbuhan epitaksial yang dapat diskalakan.
