转移和清洗悬浮的WS 2单层薄膜，用于电子层析成像特性分析

《Micron》：Transferring and Cleaning Suspended WS 2 Monolayers for Electron Ptychography Characterization

　　摘要：尽管二维材料（如WS2）在垂直于平面的相互作用较弱，但其表面仍可能残留大量杂质，这给电子显微镜下的表征带来了复杂性。历史上，尽管尝试了许多传统的清洁方法，但聚合物和其他高分子量化合物一直难以清除。我们研究了样品剥离、样品转移和样品清洁方法对杂质水平的影响。虽然没有一种方法能够单独有效地去除所有杂质，但结合使用溶剂、高温真空炉退火和间接空气等离子体清洁可以清除WS2表面的普遍污染物。当样品达到足够的清洁水平后，便可以使用电子显微镜进行诸如对杂质敏感的叠层成像（ptychography）等表征方法。

引言：二维（2D）材料最初是通过透明胶带法（scotch-tape method）分离出来的，该方法利用聚合物胶带的粘附力将范德华（VDW）力结合的石墨烯片层剥离至单层厚度（Novoselov等人，2004年）。自那时以来，二维材料的制备技术已经取得了进步。从自下而上的方法来看，可以通过单层终止合成（monolayer-terminated synthesis）来实现单层材料的制备（Huang等人，2023年）；而从自上而下的方法来看，也可以通过机械和化学剥离技术从块状层堆中分离出单层材料（Huang等人，2023年）。从块状材料中剥离出的单层材料通常比直接合成的单层材料缺陷更少（Edelberg等人，2019年）。然而，许多剥离方法会留下不希望存在的残留物，这些残留物可能会干扰二维材料的表征和应用（Liang等人，2018年）。例如，使用扫描透射电子显微镜（S/TEM）以原子分辨率表征过渡金属硫属化合物（TMD）单层材料（如WS2）的结构、成分和缺陷时，需要几乎纯净的样品。即使是少量的表面杂质也会使得使用叠层成像等相衬成像方法变得不可能（Hillyard和Silcox，1995年；Pennycook和Boatner，1988年；Yang等人，2016年；Chang等人，2020年）。

电子显微镜中的杂质积累受多种因素影响，包括样品本身的清洁度、显微镜环境的清洁度、加速电压、电子束形状（平面波TEM与聚焦探针STEM）、探针电流、放大倍数、探针停留时间以及累积剂量（Mitchell，2015年；Hugenschmidt等人，2023年）。在电子束的作用下，显微镜中的污染物可能会分解成更小的分子，在表面上移动，并被吸引到带电的电子束或样品上。然后，这些污染物可能通过电子束辅助的化学键合作用在样品的感兴趣区域固定（Mitchell，2015年）。大量电子在短时间内集中在一个小区域内会导致污染迅速累积。聚焦探针叠层成像实验正是在这种情况下应用的理想方法，而叠层成像特别适合用来检测杂质。准备足够纯净的样品进行叠层成像并非易事；在样品制备、储存和表征的每一个环节都可能引入不同形式的杂质。

用于叠层成像的样品必须在真空中独立存在，没有底层支撑膜。样品的两个暴露表面都必须非常干净，外来杂质的覆盖层厚度必须低于一层。这些要求可以通过使用本身纯净的剥离和转移工艺来实现，或者通过减少其他过程中的污染并在转移后对表面进行彻底清洁来完成。转移工艺必须足够可靠，以确保足够的转移效率，并能有效地去除几乎所有残留污染物，同时又必须足够温和，以避免对这种原子级薄的二维材料造成撕裂或显著改变其结构和成分。依赖聚合物的常见转移工艺即便在转移后进行清洁，也可能留下至少一纳米的吸附残留物（Marinov等人，2021年）。基于金-硫强键合的金介导工艺在分离TMD单层材料方面显示出巨大潜力，因为这是一种本质上纯净的剥离技术（Grubi?i?-?abo等人，2023年；Heyl和List-Kratochvil，2023年；Huang等人，2020年）。金表面的粗糙度必须非常低，并且需要新鲜沉积或清洁以获得良好的粘附效果。为了将这种技术应用于叠层成像样品，还需要在金表面上制造孔洞以便进行电子显微镜观察，或者需要随后从金表面上剥离单层材料。使用溶剂和插层剂进行化学剥离是有效的剥离方法，尽管这些方法可能会引入不希望出现的相变，通常依赖于自燃性插层剂，并可能留下需要进一步去除的残留溶剂和插层剂物质（Xu等人，2018年）。

由于样品必须独立存在，因此无法轻易实施依赖机械力的有效清洁工艺，例如“原子力显微镜熨烫”或“绒毛滚动”（Zhuang等人，2021年；Goossens等人，2012年；Rosenberger等人，2018年；Sun等人，2019年）。一种例外方法是使用专用镊子进行的原位机械清洁，这种方法在石墨烯上已显示出良好的效果，并可能也适用于TMD材料（Schweizer等人，2020年）。然而，直接等离子体处理和离子轰击等清洁方法涉及高动能粒子，这些粒子可能会刺破或撕裂悬浮的单层材料（Zhuang等人，2021年）。激光清洁在去除杂质方面似乎特别有效，但需要特别小心以避免高局部加热率对样品造成损害（Tripathi等人，2017年）。束流淋浴（beam showers）是一种广泛用于减少电子显微镜中杂质积累的方法，它使样品的大面积区域暴露于电子束下，从而固定杂质并防止其局部积累（Mitchell，2015年；Hugenschmidt等人，2023年）。不过，高能电子容易损坏对辐射敏感的材料，如WS2和其他过渡金属硫属化合物。在低电子能量（30-60 keV）下，WS2可能会因辐射解作用而受损（de Graaf和Kooi，2021年；de Graaf等人，2021年）。在高于触发阈值的加速电压下，损伤发生得更快且所需的剂量更小（Wang等人，2015年）。由于本研究中使用的电子能量较低，因此尽量减少了束流淋浴的使用以避免辐射损伤。原位加热已被证明可以通过置换污染物来减少TMD表面的杂质（Chen等人，2019年；Chen等人，2017年）。如果能在兼容加热的基底上完成TMD单层的转移，并且所需的高温适用于电子显微镜表征目标，那么原位加热是一种有前景的降低杂质率的技术。

我们评估了多种剥离、转移和清洁策略，旨在制备适合用于叠层成像或其他相成像表征的“原子级纯净”TMD单层材料。首先，我们改善了显微镜的真空度，以减少外部杂质的影响。然后，我们实施了多种剥离策略，包括机械聚合物剥离和机械/化学探针超声处理，以评估它们对样品清洁度的影响。接下来比较了依赖溶剂、蚀刻剂和聚合物印章的转移策略。剥离和转移后，我们评估了相对温和的清洁策略，包括溶剂清洗、退火和间接等离子体清洁。我们发现，无论采用哪种剥离和转移策略，都需要某种形式的清洁。虽然没有任何一种清洁方法单独就能达到理想效果，但结合使用不同杂质去除机制的方法可以可靠地制备出适合叠层成像的纯净样品。

表1总结了本研究中为剥离和转移纯净WS2单层材料以用于叠层成像而评估的变量和参数。

我们研究了两种来源的WS2单层材料：一种是从Sigma Aldrich购买的含水WS2悬浮液（901791-50 ML，浓度为1 mg/mL的H2O溶液），另一种是通过两步合成得到的2H-WS2单晶体。WS2的生长过程遵循Cevallos等人（2019年）描述的CsCl-NaCl盐流法。随后，WS2晶体与硫以1:100的分子比例在石英样品管中真空密封，并在900 °C下退火1天以完成生长。Sigma Aldrich的WS2悬浮液通过探针超声处理进行剥离。将异丙醇（IPA，Fisher Scientific公司，222280组织学级）与悬浮液按2:1的体积比混合（总量约5 ml），并在10 ml的试管中使用400 W的探针超声仪（Fisher Scientific Model 500 Ultrasonic Dismembrator）进行剥离。超声仪以20%的功率运行30分钟，使用1/16英寸的探针头，探针头距离试管底部2毫米并位于中心位置。试管放在冰浴中以减少超声处理造成的加热。

单晶通过改进的透明胶带法进行剥离。将厘米级的晶体放在透明胶带上，多次折叠并压紧以剥离单层。然后使用另一种蓝色胶带（Nitto，SPV 224PR-MJ表面保护胶带）从透明胶带上取下晶体，并重复该过程。蓝色胶带还用于进一步剥离晶体并减少透明胶带留下的粘合剂残留。最后，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印章从蓝色胶带上去除剥离下来的单层。PDMS是由Sylgard 184试剂盒制备的，将硅弹性体与固化剂按重量比10:1混合并搅拌15分钟，然后在真空环境中固化形成透明凝胶，并在70 °C的培养皿中固化2天。将四分之一的PDMS浸入甲苯（Sigma Aldrich 320552 ACS试剂，纯度≥99.5%）中4周以清洁表面。使用吹风机去除PDMS印章上的甲苯，然后将PDMS存放在真空环境中。用于剥离的PDMS样品切成1×1厘米的正方形。

WS2片层通过四种不同的转移方法转移到有孔的电子显微镜网格上：滴涂转移、PDMS印章干 transfer、双滴溶剂转移和溶剂与KOH转移（de Graaf和Kooi，2021年；Castellanos-Gomez等人，2014年；Meyer等人，2008年）。测试了三种不同品牌的商业电子显微镜网格：Quantifoil（R 0.6/1，Quantifoil Micro Tools GmbH）、C-Flat（CFT313，Electron Microscopy Sciences）和Au-Flat（AUFT313-05，Electron Microscopy Sciences）。Au-Flat网格在转移前用氧等离子体进行了彻底清洁，以防止碳膜的降解。Quantifoil和C-Flat网格未经处理，以避免等离子体对碳膜的损坏。除了滴涂转移方法外，大多数转移方法都需要网格（或片层）与基底之间的紧密接触。如果网格受到损坏（例如被镊子损坏），可能会使薄膜表面偏离基底/片层，从而影响可靠性和转移效率。使用真空镊子处理网格可以减少网格变形的问题。

滴涂转移使用超声处理后的溶液进行，只需几滴液体即可湿润网格表面。滴涂后的网格在220 °C的真空烘箱中干燥约1天，并在10-6 mbar的压力下储存几天以去除残留溶剂并减少储存过程中产生的杂质。PDMS印章干 transfer采用Castellanos-Gomez等人描述的步骤，从PDMS印章上的多层剥离WS2开始（Castellanos-Gomez等人，2014年）。将印章固定在玻璃载玻片上，并放入XYZ线型载物台（New Focus 9064）中，该载物台连接到探针站显微镜（Creative Device Inc MITOTOYO FS-70）。在载物台下方放置Au-FLAT网格，薄膜面朝上。通过调节载物台的位置，将目标片层放置在网格的所需位置。然后缓慢降下载玻片，直到印章与网格上的支撑膜接触，再缓慢抬升以留下片层。

双滴溶剂转移方法源自Meyer等人的研究，也是从PDMS印章上的剥离WS2开始的（Meyer等人，2008年）。将印章压在硅片上，留下几层厚的WS2。将网格薄膜面朝下放置在目标片层上，然后在网格上滴一滴溶剂（IPA），使溶剂渗透到网格和基底之间的空隙中。随着溶剂蒸发，毛细力使悬浮的膜与基底和单层材料接触。当第一滴溶剂蒸发后，在网格侧面再滴一滴溶剂，毛细力使溶剂进一步渗透到基底/膜界面，从而将片层转移。溶剂/KOH蚀刻方法遵循与双滴溶剂转移相同的初始步骤，依靠毛细力和溶剂蒸发来实现片层与网格孔洞薄膜之间的良好接触（de Graaf和Kooi，2021年）。在第二滴溶剂滴下之后，将网格浸入KOH溶液中以蚀刻SiO2层并分离网格。这使得能够以更高的产率转移更大的片状材料。残留的KOH盐分通过长时间的去离子（DI）水浴去除。尝试使用金作为媒介进行剥离和转移，在 commercially available 的 TEM 窗户上生长一层薄而均匀的金膜。虽然在使用金作为薄膜基底的情况下实现了单层剥离，但未能成功将薄膜转移到新的、镀有金的带孔 SiN TEM 芯片上。这些窗户非常脆弱，经常破裂，因此无法通过这种方法实现可重复的高产率转移。使用更耐用的带孔真空基底已经证明了这种转移方法的有效性，并且可能产生清洁的样品，因为该方法不涉及聚合物或溶剂（Huang等人，2022年）。

我们评估了四种主要的样品清洗方法，用于清洗转移到TEM网格上的样品：溶剂清洗、退火、间接等离子体清洗和低剂量束流冲洗。溶剂清洗使用异丙醇（IPA）进行，既可以作为基于溶剂的转移步骤的一部分，也可以在转移后的溶剂浴中进行。网格被侧向浸入溶剂中，这样网格而不是悬浮的TMD片材承受主要的毛细力。在室温下的溶剂中，网格在网格平面上来回移动几秒钟。

退火在220°C、450°C或600°C的管式炉中进行，或者在450°C下的5/95% H2/Ar混合气体中进行6小时。炉子使用5/95% O2/Ar混合气体在900°C下进行预清洗，以避免引入外部污染物（Mitchell，2015年）。

样品通常在清洗和观察之间在低真空或干燥器中储存几天。在这两种储存方式之间，短时间内的污染水平没有明显变化。同样，立即使用样品与短期储存后使用样品也没有明显差异。在STEM表征之前，为了去除可能在储存过程中沉积在表面的低分子量大气物种（如水或大气中的碳氢化合物），样品在120°C的热板上烘烤几分钟。

大多数样品在STEM观察之前立即进行了等离子体清洗。等离子体清洗使用IBSS group MCA间接等离子体灰化器进行，操作压力在10-2到10-1毫巴之间。MCA灰化器在暴露样品于反应性物种的同时，最大限度地减少了动能离子的轰击（Koontz等人，1988年；Fu等人，2014年）。大多数TMD薄膜的等离子体清洗使用18瓦特功率进行5分钟，进气气体为空气，但也测试了1-10分钟的不同持续时间。少数样品使用30瓦特功率和5% H2/Ar混合气体（Air Liquide）进行清洗。其他等离子体清洗设备的功率和压力可能需要不同设置才能达到相同的等离子体效果。

STEM实验使用的是配备了CEOS探针像差校正器的Thermo-Fisher Titan (S)TEM。成像时的样品室压力约为10-7毫巴，所有实验都使用了液氮冷却的防污染装置。STEM是一个多用户设施，因此很难确保显微镜内部的真空条件干净。因此，在每次实验前，使用安装在显微镜柱样品区域的IBSS group GV10x DS Asher以25瓦特的功率清洗显微镜一小时。样品架也可能将污染引入显微镜环境（Goh等人，2020年）。为了避免这种污染途径，样品架在Fischione Model 9020真空泵站中储存于约10-4毫巴的粗抽真空下。在安装样品之前，样品架及其硬件（如垫圈和螺母）使用MCA等离子体清洗器以高强度（70瓦特，10分钟）进行清洗。O型圈也经过检查和维护，以确保良好的真空密封。

显微镜在STEM模式下操作，电压为200千伏。相机长度为160毫米，对应的HAADF检测角度为54到270毫弧度。HAADF成像使用了23.4毫弧度（70微米）和16.7毫弧度（50微米）的聚光器孔径，对应的束流电流分别为约6皮安和约3皮安。束流冲洗的使用被最小化，以减少损伤。

所有衍射图数据集都是使用相同的参数收集的，这些参数针对同时进行衍射图和HAADF成像进行了优化。4D STEM实验使用16.7毫弧度（50微米）的聚光器孔径和256×256像素的实空间扫描，对应的步长为0.14埃。Direct Electron Celeritas XS探测器以积分滚动快门模式运行，读出分辨率为512×512，采集速率为7,385帧/秒（停留时间为135微秒）。衍射图数据经过暗场和增益校正处理。数字计数低于15的像素被设置为零，以减少读出噪声。为了最小化扫描不稳定性误差，扫描边缘周围的五个实空间位置被丢弃。衍射图案通过4倍采样进行合并，以平衡数据大小和处理时间，最终得到一个(246×246)x(128×128)的数据集。每个数据集的收集剂量约为105电子/埃平方。实空间图像使用pyPtychoSTEM重建，这是一个基于Python的开源衍射图软件包，实现了像差校正的单侧带（SSB）和Wigner分布反卷积（WDD）重建算法（Pennycook等人）。

**样品外的污染源**
TEM支持的部件（基底、网格或窗口）可能是接收时污染的来源，因此在样品转移前需要清洗（McGilvery等人，2012年）。虽然Quantifoil网格在转移后能够承受TMDs的等离子体清洗，但其碳膜会被蚀刻，无法承受更全面的预样品等离子体清洗。C-Flat网格宣传为不含塑料制造，以减少接收时的污染。然而，这种碳膜很脆弱，容易从铜基底上脱落。

**结论**
我们提出了一种可靠的方法，用于制备足够干净的悬浮WS2单层材料，适合进行电子衍射图成像。没有一种单一的清洗方法能够完全去除TMD片材表面的聚合物污染，但结合了不同表面化学机制的多种方法有效。溶剂清洗（IPA）去除了WS2片材上的大部分污染，同时注意不要损坏悬浮的片材。

**作者贡献声明**
Nicholas Hagopian：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究、概念化。
Rhodes Daniel：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。
Yangchen He：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、研究。
Voyles Paul：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、资金获取、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的潜在财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

**致谢**
我们感谢Alexander Kvit多次为这项研究清洗显微镜。我们还要感谢Arnold小组提供他们的探针超声波清洗设备。这项研究主要得到了NSF通过威斯康星大学材料研究与工程中心（DMR-2309000）的支持。作者也非常感谢威斯康星纳米技术中心提供的设施和仪器。该中心部分由……（此处应补充具体支持机构）资助。

**作者信息**
Nicholas Hagopian
Yangchen He
Daniel A. Rhodes
Paul M. Voyles
威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程系，美国麦迪逊