利用超薄切片机对二维范德华材料进行多方向样品制备，以实现原子级分辨率的透射电子显微镜观察

二维范德华材料因各向异性难以制备高质量样品用于S/TEM分析。本研究采用超微切片机替代传统方法，成功制备不同取向的WTe2样品，通过STEM和EELS验证其结构质量，厚度控制理想，为多取向研究提供新方法

余文旭 | 黄佳恩 | 理查德·F·韦伯斯特 | 张大为 | 乔安娜·比亚齐克 | 简·赛德尔 | 张雪莉·L·Y

新南威尔士大学悉尼分校材料科学与工程学院，澳大利亚悉尼2052

摘要

二维（2D）范德华材料展现出独特的功能特性，因此引起了极大的研究兴趣。然而，由于这些材料的各向异性层状结构、柔软的机械性质以及对离子损伤的敏感性，在制备用于扫描/透射电子显微镜（S/TEM）测量的高质量超薄样品方面仍存在诸多困难。本文提出使用超薄切片机作为替代方法，以实现2D范德华材料的多方向样品制备。通过调整超薄切片机的参数，我们证明了该方法适用于过渡金属硫属化合物（WTe₂），并利用像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）展示了从顶视图和侧视图获得的高质量样品。低损耗电子能量损失谱（EELS）的厚度测量结果表明，通过超薄切片机制备可以获得理想的样品厚度。我们的发现揭示了超薄切片机在多方向上对2D范德华材料进行基础表征的潜力，这可能为广泛应用奠定基础。

引言

二维（2D）范德华材料结合了二维原子晶体和异质结构的特性，已成为材料科学和凝聚态物理学领域的研究热点。这类材料中堆叠的二维层在平面内方向（a/b轴）和平面外方向（c轴）具有不同的结构和电子性质，从而产生了多种物理现象，如2D激子、¹ Kosterlitz-Thouless效应、¹负磁阻^[3]和铁电性⁴等。同时，基于这些材料的新电子器件设计也在快速发展，包括隧道器件^[5]、⁶、光电器件^[7]和光伏器件^[9]。最近，扭曲的范德华结构作为2D半导体的未来研究方向也得到了快速发展¹⁰。这些材料的量子现象和光电性质在很大程度上取决于堆叠原子层之间的垂直错位角。^[10]这些二维原子层可作为可控的构建模块，用于修改这些量子材料的基本特性，即莫尔埃超晶格。^[10]通过在单一异质结构材料中设计莫尔埃超晶格，可以实现多功能性，例如光子¹⁵、磁性[14]、电子[17]等特性。¹⁰

2D范德华量子材料的发展使得从多个晶体方向进行相关测量以研究异质结构/超晶格之间的相互作用和相关性以及原子尺度上的光学/电子性质成为必要^{[10][11][12][13][14][15][16][17][18]}。扫描/透射电子显微镜（S/TEM）能够实现对特定晶体结构、化学元素和键合的高空间分辨率分析，因此已成为原子尺度定量分析不可或缺的方法^[19][20]。尽管少数研究人员使用聚焦离子束（FIB）制备的S/TEM薄片研究了2D范德华薄膜的横截面^{[16][21][22][23]}，但对块体材料结构的探索主要仍局限于平面内方向，样品通常是通过机械剥离方法获得的^{[17][24][25][26]}。造成这种情况的原因是材料的各向异性机械性质、柔软的机械特性以及对离子束损伤的敏感性，使得传统制备方法难以应用。

本文提出使用超薄切片机作为2D范德华块体材料多方向S/TEM样品制备的合适方法。我们以WTe₂块体晶体为例，这是一种过渡金属硫属化合物（TMDs）^[1][4]，来代表广泛的2D层状范德华材料，并展示了多方向控制制备的概念。通过调整超薄切片机的参数，可以获得超薄片状样品和侧截面薄膜，从而可以直接从顶视图或侧视图对范德华块体材料进行观察。这些多方向样品具有高质量，适用于高分辨率S/TEM成像和电子能量损失谱（EELS）分析。侧截面薄膜和片状样品还可以用于扫描探针显微镜（SPM）²⁷对异质结构和纳米结构的相关性质进行测量。因此，我们的方法为更深入研究2D范德华材料的异质结构和超晶格奠定了基础，并有助于新型电子器件的开发。

实验方法简介

样品制备

我们使用配备Diatome Ultra 45° 3.0mm金刚石刀片的Leica EM UC7超薄切片机进行超薄切片。该切片机原则上可以切割宽度为3mm的样品。虽然也有其他型号的超薄切片机可供选择，但这是常见的尺寸。WTe₂样品块是通过将其嵌入Embed 812树脂中并在60°C下浸泡48小时来制备的。

结果与讨论

图2展示了每种样品形态的超薄切片方案，补充信息中的光学显微镜图像（图S1）证明了刀片的锋利度。根据切割条件（即切割/层方向和刀片状态），可以通过50 nm的切片步长获得定向控制的侧截面薄膜（图2a,c）、片状样品（图2b）和纳米颗粒（图2c,d）。

结论

我们证明了超薄切片机能够高效制备出高质量的多方向2D范德华材料样品，适用于原子分辨率的S/TEM成像和EELS分析。通过调整切割/层方向和刀片锋利度，无论是从顶视图还是侧视图方向，都能获得高质量的WTe₂块体晶体样品。这种制备方法克服了样品的曲率问题。

作者贡献声明

张大为：数据整理、形式化分析。张雪莉：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、形式化分析、概念化。理查德·韦伯斯特：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、数据整理。黄佳恩：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、数据整理。简·赛德尔：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念化。

数据获取

数据可应要求提供。

利益冲突声明

☒ 作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

☐ 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：

致谢

作者感谢澳大利亚研究委员会通过Discovery项目（DP220103231）、ARC未来低能耗电子技术卓越中心（FLEET）以及Mark Wainwright分析中心的电子显微镜设施提供的支持。Y.X.还获得了澳大利亚政府研究培训计划（RTP）奖学金的支持。开放获取出版由新南威尔士大学提供，作为Wiley - 新南威尔士大学合作项目的一部分。