Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

إعداد تقشر السائل الانتقال المعادن Dichalcogenide Nanosheets مع تسيطر الحجم والسماكة: دولة على البروتوكول الفن

Published: December 20, 2016 doi: 10.3791/54806
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 2, 1, 2
1Chair of Applied Physical Chemistry, Ruprecht-Karls University Heidelberg, 2School of Physics and CRANN, Trinity College Dublin

Summary

بروتوكول لتقشير السائل من المواد الطبقات لnanosheets، يتم تقديم اختيارهم حجم وقياس حجم بواسطة تقنيات مجهرية والطيفية.

Introduction

إمكانية لإنتاج والجرافين العملية المتعلقة ثنائي الأبعاد (2D) البلورات في الطور السائل يجعلها المواد واعدة لمجموعة متزايدة من التطبيقات والمواد المركبة، وأجهزة الاستشعار، في تخزين وتحويل الطاقة والمرونة (البصريات) الإلكترونيات. 1-6 لاستغلال المواد النانوية 2D في تطبيقات مثل هذا الأمر سيتطلب والأحبار وظيفية غير مكلفة ويمكن الاعتماد عليها مع حسب الطلب حجم الجانبي وسمك المكونات النانوية، وكذلك التحكم خصائص الانسيابية والمورفولوجية قابلة للعمليات الطباعة / الطلاء على نطاق صناعي. 7 وفي هذا الصدد، أصبح السائل مرحلة تقشير تقنية انتاج هامة مما يتيح الوصول إلى مجموعة كاملة من النانو بكميات كبيرة. ويشمل 6،8،9 هذه الطريقة صوتنة أو قص بلورات الطبقات في السوائل. إذا ما تم اختيار السائل بشكل مناسب (أي مذيبات مناسبة أو السطحي) وnanosheets ستكون الصورةtabilized ضد إعادة تجميع. وقد أظهرت العديد من التطبيقات والأجهزة إثبات صحة المبدأ مثل هذه التقنيات. 6 ولعل أعظم قوة من هذه الاستراتيجية هو تنوعها، عن العديد من بلورات الأم الطبقات يمكن أن تقشر ومعالجتها بطريقة مماثلة، وتوفير الوصول إلى لوحة واسعة من المواد التي يمكن أن يكون متلائما مع التطبيق المطلوب.

ومع ذلك، على الرغم من هذا التقدم الذي حدث مؤخرا، والتشتت المتعدد الناتج الذي يطرح نفسه بسبب هذه الأساليب إنتاج الطور السائل (من حيث طول nanosheet وسمك) لا يزال يمثل عنق الزجاجة في تحقيق الأجهزة عالية الأداء. هذا هو الغالب لأن تطور تقنيات اختيار حجم جديدة ومبتكرة وهكذا يلزم حتى طول nanosheets وتوصيف سمك باستخدام المجهر مملة الإحصائي (مجهر القوة الذرية، AFM و / أو نقل المجهر الإلكتروني، تيم).

وعلى الرغم من هذه التحديات، سفوقد تم الإبلاغ عن تقنيات الطرد المركزي راؤول لتحقيق طول والفرز سمك. 6،10-13 أبسط السيناريو هو الطرد المركزي متجانسة، حيث يتم طرد تشتت في تسريع الطرد المركزي معين ويصب طاف للتحليل. سرعة الطرد المركزي يحدد حجم قطع، حيث كلما زادت السرعة، وأصغر هي nanosheets في طاف. ومع ذلك، فإن هذا الأسلوب تعاني من العيوب اثنين الرئيسية؛ أولا، عندما لا يتم اختيارها nanosheets أكبر (أي، يتم طرد تشتت عند السرعات المنخفضة، ويصب طاف) ستبقى كل nanosheets أصغر أيضا في العينة. ثانيا، بغض النظر عن سرعة الطرد المركزي، فإن نسبة كبيرة من المواد تميل إلى أن يضيع في الرواسب.

استراتيجية بديلة لاختيار حجم هي التدرج الكثافة (أو الإيزوبيكنيكي) الطرد المركزي. 11،14 في هذه الحالة، يتم حقن التشتت إلى التعاون أنبوب الطرد المركزيntaining متوسطة الكثافة التدرج. خلال تنبيذ فائق (عادة> 200000 x ج)، وشكلت درجة الكثافة وnanosheets انتقال إلى نقطة في أجهزة الطرد المركزي حيث كثافة الطفو على (الكثافة بما في ذلك استقرار وقذيفة المذيبات) مباريات كثافة التدرج. لاحظ أن المواد متناهية الصغر يمكن أيضا نقل التصاعدي خلال هذه العملية (تبعا للمكان الذي تم حقنه). في مثل هذه الطريقة، يتم فرز nanosheets بشكل فعال من قبل سمك بدلا من كتلة (مقابل الطرد المركزي متجانس). في حين يقدم هذا الإجراء فرصة فريدة لفرز nanosheets التي كتبها سمك، فإنه يعاني من عيوب ملحوظة. على سبيل المثال، وعوائد منخفضة جدا وفي الوقت الحاضر لا تسمح لانتاج كميات كبيرة من nanosheets فصل. ويرتبط هذا جزئيا إلى محتويات منخفضة من الطبقات الوحيدة في التفرق الأسهم بعد السائل تقشير ويحتمل أن يتم تحسينها من خلال تحسين الإجراءات تقشير في المستقبل. وبالإضافة إلى ذلك، فمن عادة متعددة الخطوات تستغرق وقتا طويلاعملية تنبيذ فائق تنطوي على تكرار متعددة لتحقيق كفاءة اختيار الحجم. وعلاوة على ذلك، في حالة المواد النانوية غير العضوية، ويقتصر على التفرق استقرت البوليمر للحصول على الكثافة المطلوبة ازدهار والمتوسطة التدرج في تشتت قد تتداخل مع مزيد من المعالجة.

لقد أظهرنا مؤخرا أن إجراء أننا السائل المدى سلسلة الطرد المركزي (LCC) يقدم بديلا مثيرا، 13 وهذا ما سنقوم أيضا بالتفصيل في هذه المخطوطة. هذا هو الإجراء متعددة الخطوات التي غاية تنوعا مما يسمح شلالات مختلفة لتكون مصممة وفقا لنتائج المرجوة. وللتدليل على هذه العملية، التي صورت سلسلة القياسية في الشكل (1) ويتضمن عدة خطوات الطرد المركزي حيث يتميز كل سرعة أعلى من سابقه. بعد كل خطوة، يتم الاحتفاظ الرواسب ومن ثم يتم استخدام طاف في مرحلة المتابعة. ونتيجة لذلك، كل الرواسب يحتوي nanosheets في معينمجموعة الحجم الذي تم "المحاصرين" بين اثنين centrifugations مع سرعات مختلفة. أقل واحد إزالة nanosheets أكبر في الرواسب السابقة في حين أن سرعة أعلى يزيل nanosheets أصغر في طاف. حاسمة لLCC، والرواسب الناتجة يمكن redispersed تماما صوتنة معتدل في المتوسط منها، وهو في هذه الحالة هو الصوديوم المائي كوليت H 2 O-SC (بتركيزات SC منخفضة تصل إلى 0،1 ز L -1). والنتيجة هي التفرق مع أي تركيز اختيار تقريبا. الأهم من ذلك، لا يضيع تقريبا المواد في LCC، مما أدى إلى جمع كميات كبيرة نسبيا من nanosheets مختارة الحجم. كما هو موضح هنا، لدينا تطبيق هذا الإجراء إلى عدد من nanosheets-تقشر السائل بما في ذلك موس 2 و WS 2، وكذلك الغاز، 15 أسود الفوسفور 16 و الجرافين 17 في كلا النظامين المذيبات والسطحي.

هذا الطرد المركزي الاجراء فريده تمكن كفاءة الحجم اختيار من السائل تقشر nanosheets، وفيما بعد تمكين تقدما كبيرا من حيث حجمها وتحديد سمك. على وجه الخصوص، من خلال هذا النهج أثبتنا سابقا أن انقراض البصرية (والامتصاصية) أطياف nanosheets تغيير منهجي وظيفة كل من nanosheets الوحشي الأبعاد وnanosheets سمك. ونحن نلخص هنا، وقد سمح ذلك لنا لربط الملف الشخصي الطيفي nanosheet (على وجه التحديد نسبة كثافة في موقعين من الطيف الانقراض) لطول nanosheet نفسه نتيجة لآثار nanosheet الحافة. 12،13 الأهم من ذلك أن نفس المعادلة يمكن أن تستخدم لتحديد حجم MOS 2 و WS 2. وعلاوة على ذلك، وتبين لنا أن-A الأكسيتون موقف تحولات نحو أطوال موجية أقل بوصفها وظيفة من سمك nanosheet يعني ذلك بسبب الآثار الحبس. على الرغم من تقشير، وكذلك اختيار حجم والتصميم هي بشكل عام وليس سرقةإجراءات أوست، نتائج الكمية تعتمد على الخفايا في البروتوكول. ومع ذلك، وخاصة بالنسبة للقادمين الجدد إلى الميدان، فإنه من الصعب الحكم على العملية المعلمات هي الأكثر ملاءمة. ويأتي ذلك وصولا الى حقيقة أن أقسام التجريبية من الأوراق البحثية توفر سوى بروتوكول الخام، دون مناقشة ما أمر متوقع نتيجة عند تعديل الإجراء أو إعطاء عقلانية وراء البروتوكول. في هذه المساهمة، ونحن نعتزم معالجة هذا فضلا عن توفير دليل تفصيلي ومناقشة لإنتاج nanosheets-تقشر السائل من حجم للرقابة وإلى تحديد دقيق لحجم إما عن طريق الفحص المجهري الإحصائي أو تحليل الأطياف الانقراض. ونحن مقتنعون بأن هذا سوف يساعد على تحسين استنساخ ونأمل أن يكون دليلا مفيدا لالتجريبيون الأخرى في هذا المجال البحثي.

شكل 1
فيقوإعادة 1: رسم تخطيطي لاختيار حجم بواسطة الطرد المركزي سلسلة السائل. يتم جمع nanosheets مختارة حجم والرواسب. يتم جمع كل الرواسب أو "محاصر" بين بسرعتين الطرد المركزي (ω) بدءا من السرعات المنخفضة والذهاب الى أعلى منها من خطوة إلى خطوة. الرواسب التخلص منها بعد الطرد المركزي الأول يحتوي على البلورة الطبقات unexfoliated بينما طاف التخلص منها بعد خطوة الطرد المركزي مشاركة يحتوي nanosheets صغير للغاية. وتتولى إعادة تفريق-الرواسب التي تم جمعها في نفس المتوسطة (هنا مائي حل السطحي) في انخفاض أحجام إعداد التفرق مختارة الحجم. مقتبس بإذن من 13. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. السائل تقشير - إعداد التفرق المالية مناسبة

  1. جبل فنجان المعدن تحتها sonotrode في حمام الثلج.
  2. تزج 1.6 غرام من مسحوق TMD في 80 مل من محلول مائي من كوليت الصوديوم (SC) السطحي (تركيز كوليت الصوديوم، C SC = 6 ز L -1) في كأس المعادن.
  3. نقل معلومات سرية الصوتية إلى قاع الكأس المعدنية ومن ثم من قبل ~ 1 سم. لف رقائق الألومنيوم حول التحقيق الصوتية لتجنب تسرب.
  4. يصوتن الخليط تحت الجليد التبريد صوتنة التحقيق لتجنب التدفئة باستخدام طرف مسطح الرأس الصلبة (750 W المعالج) لمدة 1 ساعة على 60٪ السعة (نبض 6 ق على و2 ثانية إيقاف).
  5. أجهزة الطرد المركزي تشتت في سرعة الطرد المركزي من 2660 x ج لمدة 1.5 ساعة. تجاهل طاف تحتوي على شوائب وجمع الرواسب في 80 مل من محلول بالسطح جديدة (C SC = 2 ز L -1).
    ملاحظة: استخدام أقصى ارتفاعات ملء أنابيب الطرد المركزي من الحد الأقصى 10 سم. آلات موسيقية أخرىrwise، وزيادة وقت الطرد المركزي.
  6. تعرض التشتت إلى الثانية، يعد صوتنة باستخدام طرف مسطح الرأس الصلبة لمدة 5 ساعات في 60٪ السعة (نبض 6 ق على و2 ثانية إيقاف) تحت التبريد الجليد. استبدال حمام الجليد كل ح 2 بينما التوقف صوتنة.

2. Nanosheet اختيار حجم من السائل تتالي الطرد المركزي

ملاحظة: لتحديد nanosheets حسب الحجم، السائل الطرد المركزي سلسلة مع بالتتابع يزداد تسارع الطرد المركزي يطبق (الشكل 1). ينصح الإجراء التالي كما اختيار الحجم القياسي من شلال في حالة TMDS. لمواد أخرى، قد تحتاج إلى تعديل سرعة الطرد المركزي.

  1. إزالة مسحوق unexfoliated بواسطة الطرد المركزي في 240 x ج (1.5 krpm)، 2 ساعة. تجاهل الرواسب.
  2. أجهزة الطرد المركزي لطاف في تسريع الطرد المركزي العالي: 425 x ج (2 krpm)، 2 ساعة. جمع الرواسب في بالسطح الطازجة في انخفاض حجم (3-8 مل).
  3. أجهزة الطرد المركزيطاف في تسريع الطرد المركزي اعلى: 950 x ج (3 krpm)، 2 ساعة. جمع الرواسب في بالسطح الطازجة في انخفاض حجم (3-8 مل).
  4. كرر هذا الإجراء مع تسارع الطرد المركزي التالية: 1700 x ج (4 krpm)، 2650 x ج (5 krpm)، 3500 x ج (6 krpm)، 5500 x ج (7.5 krpm)، و9،750 x ج (10 krpm).

3. تحديد Nanosheets الحجم والسماكة بواسطة الميكروسكوب الإحصائية

ملاحظة: إذا كانت المقاييس الطيفية المتاحة بالفعل، القسم 3 يمكن تخطي أو تخفيضها، أي لم تنفذ كل عينة.

  1. طول: نقل الإلكترون المجهري (تيم)
    1. ترسيب
      1. تمييع التفرق تركيز عالية مع الماء (للحد من تركيز السطحي) بحيث تكون الضوء في اللون. يلقي السقوط على الشبكة (على سبيل المثال الكربون هولي، 400 شبكة) وضعت على غشاء فلتر لالفتيل بعيدا مذيب الزائد.
    2. التصوير
      1. ايماج متعددة قياسيوفاق على مواقع مختلفة على الشبكة. ضبط مجال الرؤية اعتمادا على حجم nanosheet. لشامل تيم التصوير التعليمي، أنظر المرجع 18.
    3. التحليل الإحصائي طول القيام بها باستخدام يماغيج
      1. فتح برنامج ImageJ، حدد الصورة تيم ذات الصلة من خلال القائمة "ملف" و "فتح" صورة. سيتم فتح الصورة في نافذة جديدة.
      2. انقر فوق علامة التبويب "تحليل". حدد "على نطاق وضبط" من القائمة المنسدلة. سيتم فتح نافذة جديدة. انقر على "إزالة النطاق"، وضع علامة "العالمية" وانقر على زر "موافق".
      3. حدد أداة "الخط". رسم الشخصية خط على طول شريط حجم الصورة تيم.
      4. انقر على "تحليل". حدد "على نطاق وضبط" من القائمة المنسدلة. أدخل طول شريط النطاق في نانومتر في مربع "المسافة المعروفة" ثم انقر على "موافق".
        ملاحظة: يتم عرض المسافة من الخط الذي رسمته على شريط النطاق في بكسل. حدد أداة "الخط" وقياس طول nanosheet عن طريق رسم خط صورة من أطول محور nanosheet.
      5. اضغط على "السيطرة + M" لقياس. صندوق جديد يسمى "النتائج" يفتح مع طول nanosheet عرضها في العمود "طول".
      6. كرر الخطوة 3.1.3.6 لجميع nanosheets تودع بشكل فردي (وليس تجميعها منها) في الصورة.
      7. عند فتح صورة جديدة، كرر الخطوات من 3.1.3.3- 3.1.3.7. عد بطول 150 nanosheets.
        ملاحظة: يتم تجميع كافة البيانات طول nanosheet في إطار "النتائج"، ويمكن نسخ إلى برامج أخرى لمزيد من المعالجة.
  2. سمك: مجهر القوة الذرية (AFM)
    1. تمييع التشتت بحيث تكون شفافة تقريبا للعين البشرية (المقابلة لشدة انقراض مثالي ~ 0.2 لكل 1 سم طول المسار في 400 نانومتر). في حالة التفرق السطحي، ويخفف بالماء وليس السطحي.
    2. قطرة-يلقي على رقائق قبل ساخنة. لتشتت المياه القائمة، تسخين ويفر إلى ~ 170 درجة مئوية على طبق ساخن وإيداع 10 ميكرولتر في 0.5 X 0.5 سم 2 رقاقة.
    3. شطف رقائق تماما مع ما لا يقل عن 5 مل من الماء و 3 مل من 2-بروبانول لإزالة التوتر السطحي المتبقية وغيرها من الشوائب.
    4. مسح وحفظ صور متعددة عبر العينة مع فؤاد في وضع التنصت. لnanosheets صغير استخدام قرار 512 خط لكل صورة وصورة الأحجام من الحد الأقصى 2 × 2 ميكرون 2. للعينات التي تحتوي على nanosheets أكبر، وزيادة مجال الرؤية إلى ما يصل إلى 8 × 8 ميكرون 2. استخدام معدلات المسح حسب الاقتضاء (عادة 0.4-0.7 هرتز). بدلا من ذلك، مسح مناطق أكبر في دقة أعلى.
    5. قياس سمك باستخدام Gwyddion البرمجيات
      1. فتح البرنامج واختيار الصورة AFM ذات الصلة عن طريق "ملف" و "فتح". سيتم فتح الصورة في نافذة جديدة.
      2. تصحيح الخلفية باستخدام "البيانات على مستوى من متوسط ​​طائرة سوbtraction "" محاذاة الصفوف "و" ندوب الأفقية الصحيحة "في قسم" عملية البيانات "من القائمة الرئيسية. تطبيق التصحيحات تغيير لون الصورة لأفضل النقيض من ذلك بالنقر بزر الماوس الأيمن على أسطورة وتعيين Z-الطائرة إلى الصفر.
      3. تكبير منطقة الاختيار (في حالة مريحة). انقر على أداة "المحصول" في القائمة الرئيسية. اسحب المؤشر فوق الصورة للاحتفال المنطقة في الاختيار. اضغط على "تطبيق". التحقق من "إنشاء قناة جديدة" لفتح المنطقة المحددة في نافذة جديدة.
      4. اختر "استخراج ملامح" من القائمة أدوات. يفتح نافذة جديدة.
      5. رسم خط عبر nanosheet. أكتب سمك في جدول. في حالة nanosheets غير متجانس سميكة، ومتوسط ​​سمك عبر nanosheet. العناية القصوى لقياس nanosheets فقط أودعت بشكل فردي وغير مجمعة.
      6. كرر 3.2.5.3-3.2.5.5 لجميع nanosheets على الصورة.
      7. كرر 3.2.5.1-3.2.5.6 عن كل صورةق المسجلة. عد الحد الأدنى 150 nanosheets.
  3. تحويل AFM سمك لعدد طبقة
    وعادة ما تكون المبالغة في تقدير على ما يبدو، مرتفعات AFM من المواد النانوية تقشر السائلة بسبب وجود المذيبات المتبقية: ملاحظة. وبالإضافة إلى ذلك، قياسات الارتفاع دقيقة لعينات غير متجانسة (مثل المواد النانوية المودعة على ركائز) باستخدام AFM تشكل تحديا عموما نتيجة للتبرعات من آثار مثل القوات الشعرية والتصاق التي تعتمد على المعلمات المادية والقياس. 19،20 وللتغلب على هذه المشاكل وتحويل واضح قياس سمك AFM إلى عدد من الطبقات، وضعت تقنية تسمى تحليل ارتفاع خطوة كما هو موضح في ما يلي. 12،13،16،21. خطوات 3.3.1-3.3.4 يمكن تخطي إذا هو معروف ارتفاع خطوة.
    1. مفتوحة وصحيحة واقتصاص صورة فؤاد كما هو موضح في 3.2 لاختيار nanosheet مع المدرجات ملموسة بشكل واضح.
    2. قياس الارتفاع في جميع أنحاءnanosheet باستخدام "انتزاع" أداة التعريف.
      ملاحظة: لمحات مناسبة تظهر الخطوات المنفصلة كما هو في الشكل 2B أقحم.
      1. تسجيل ذروة هذه الخطوات (أي فرق الارتفاع من شرفة إلى أخرى على nanosheet).
    3. عدد لا يقل عن 70 من هذه الخطوات.
    4. رسم ارتفاع خطوة في ترتيب تصاعدي (الشكل 2C).
      ملاحظة: لاحظ أن لTMDS ذروة خطوة على ما يبدو هو دائما من مضاعفات ~ 1.9 نانومتر.
    5. تقسيم سمك AFM واضح (قياس كما هو موضح في القسم 3.2) بنسبة 1.9 نانومتر للحصول على عدد طبقة.
      ملاحظة: مواد أخرى لديها عوامل التحويل ارتفاع خطوة أخرى تتطلب معايرة مختلفة.

4. تحديد MOS 2 و WS 2 الحجم والسماكة وبناء على الانقراض الأطياف

  1. اكتساب أطياف
    1. تمييع عينات تركيز عالية مع respectiلقد المتوسطة (هنا المائية كوليت الصوديوم، 2 ز L -1) لانتاج انقراض أقل من 2 في النطاق الطيفي بأكمله.
    2. تعيين الزيادات لاقتناء الطيفي إلى 0.5 نانومتر في إعدادات أداة أو استخدام سرعة المسح الضوئي بطيئة أو متوسطة.
    3. اختر الإعدادات "خط الأساس طرح" في إعدادات الجهاز. ضع كفيت يحتوي على حل كوليت الصوديوم المائي في حجرة عينة من مطياف وتشغيل القياس.
    4. إزالة كفيت مع الحل كوليت الصوديوم من مطياف وتفريغها. شغل في العينة، ضع عينة في المقصورة عينة من مطياف وتشغيل تفحص العينة.
  2. تقرير طول من نسب كثافة
    1. الخيار 1: قراءة قبالة كثافة في A-الأكسيتون، تحويلة ألف (~ 660 نانومتر لموس 2 و 620 نانومتر للWS 2) والحد الأدنى والحد الأدنى تحويلة المحلي (345 نانومتر لموس 2 و 295 نانومتر للWS 2). انقسامالشدة عند A-الأكسيتون من شدة في الحد الأدنى المحلي للحصول على نسبة كثافة تحويلة A / تحويلة دقيقة.
    2. تحديد طول nanosheet نفسه، <L> باستخدام المعادلة 1.
      المعادلة 1 (المعادلة 1)
      حيث تحويلة A / تحويلة دقيقة هي نسبة كثافة الانقراض في A-الأكسيتون (تحويلة أ) والحد الأدنى المحلي (تحويلة دقيقة).
      ملاحظة: المعادلة يحمل على حد سواء موس 2 و WS 2. ومع ذلك، يقتصر دقتها خصوصا لnanosheets صغير.
    3. الخيار 2: تحديد نسبة كثافة أقصى المحلي في منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الطيف، تحويلة ماكس سعادة (270 نانومتر لموس 2 و 235 نانومتر للWS 2) والحد الأدنى المحلي، دقيقة تحويلة (345 نانومتر لموس 2 و 295 نانومتر لWS 2)
    4. تحديد طول nanosheet نفسه، <L> باستخدام المعادلة 2.
      "المعادلة مع تحويلة ماكس-HE تدل على كثافة في أقصى المحلي في الطاقة العالية (270 نانومتر لموس 2 و 235 نانومتر للWS 2) وتحويلة دقيقة كثافة الانقراض في الحد الأدنى المحلية (345 نانومتر لموس 2 و 295 نانومتر للWS 2 ).
      ملاحظة: الخيار 2 يعطي مقياس أكثر دقة من حجم الجانبي. ومع ذلك، قد لا تكون المنطقة ذات الطاقة العالية يمكن الوصول إليها في جميع المذيبات / السطحي.
  3. تركيز
    1. تسجيل كثافة الانقراض نسبة إلى 1 سم طول المسار في 345 نانومتر لموس 2 و 235 نانومتر للWS 2، على التوالي.
      ملاحظة: تقسيم انقراض قياس سجلتها طول المسار من كفيت.
    2. تقسيم هذه الكثافة من قبل معامل الانقراض من 68 إل جي -1 سم -1 في 345 نانومتر لموس 2 و 47 جي -1 سم -1 في 235 نانومتر لWS 2 للحصول على نانوتركيز هيت في GL -1.
  4. تقرير سمك من A-الأكسيتون موقف
    1. حساب المشتقة الثانية من الطيف.
      1. باستخدام تحليل البيانات والرسوم البيانية البرمجيات (على سبيل المثال، OriginPro)، حدد العمود الذي يحتوي على كثافة الانقراض. انقر فوق علامة التبويب "تحليل"، حدد "الرياضيات" من القائمة المنسدلة و "التفريق"، "حوار مفتوح". سيتم فتح نافذة جديدة. تعيين ترتيب المشتقات إلى 2، ثم اضغط موافق.
    2. تمهيد المشتق الثاني عن طريق حساب متوسط ​​المجاورة (~ 10-20 نقطة لكل نافذة في A-الأكسيتون المنطقة).
      1. على سبيل المثال، وذلك باستخدام تحليل البيانات والرسوم البيانية البرمجيات، ورسم الطيف مشتق الثاني.
        1. مع نافذة الرسم نشطة، اضغط على "تحليل" واختيار "معالجة الإشارات"، ثم "تمهيد" ثم "حوار مفتوح" من القائمة المنسدلة. سيتم فتح نافذة جديدة.
        2. اختار4؛ حيث بلغ متوسطها المجاورة "كما تمهيد الطريقة وتعيين نقاط إلى 20.
        3. رسم الطيف ممهدة الناتجة والتي يتم عرضها كأعمدة جديدة. إذا كان الضجيج لا يزال مرتفعا، كرر تجانس.
          ملاحظة: عادة، مطلوب تجانس الطيفي للحد من الضوضاء إلا إذا استخدمت مرات التكامل عالية أثناء القياس. تجانس المناسب هو جزء هام من تحليل البيانات وطريقة تنعيم المناسب يعتمد على النتيجة المرجوة. هذه الطريقة تمهيد معين مثالية فقط لتحديد ذروة الموقف نفسه. 13
    3. قراءة قبالة ذروة الموقف من المشتق الثاني. هذا هو الطول الموجي للA-الأكسيتون، λ A. بدلا من ذلك، تنفيذ الخطوات الموضحة في 4.4.4-4.4.7.
    4. تحويل محور س من الطول الموجي للطاقة باستخدام العلاقة:
      E (فولت) = 4.135E 6 * 2.997E8 / λ (س.خ)
    5. تناسب المشتقة الثانية للمشتقات الثانية لورنتزإيان.
      ملاحظة: Lorentzian يمكن أن يكتب
      المعادلة 3 (المعادلة 3)
      حيث h هو ارتفاع، E '0 هو مركز وث هو FWHM. التفريق مرتين فيما يتعلق يعطي E
      المعادلة 4 (المعادلة 4)
      1. في تحليل البيانات والرسوم البيانية البرمجيات، اختر "أدوات" من القائمة الرئيسية واختر "باني وظيفة المناسب". سيتم فتح نافذة جديدة.
      2. اختر "إنشاء وظيفة جديدة"، انقر فوق التالي.
      3. ترك الإعدادات الافتراضية، وإعطاء وظيفة اسم وانقر فوق التالي.
      4. ضبط "ح، ه، ث" كمعلمات، انقر فوق التالي.
      5. أدخل "(-8 * ح / ث ^ 2) * (3/1 * (2 * (خر) / ث) ^ 2) / (1+ (2 * (خر) / ث) ^ 2) ^ 3" الجسم وظيفة، انقر فوق إنهاء.
      6. مؤامرة فقط-A الأكسيتون المنطقة من الطيف المشتقة الثانية على مقياس الطاقة.
      7. مع الالرسومات الإطار النشط، انقر فوق علامة التبويب "تحليل". اختيار "المناسب"، "منحنى غير الخطية صالح"، "حوار مفتوح" من القائمة المنسدلة. سيتم فتح نافذة جديدة.
      8. حدد "يحددها المستخدم" في فئة واختيار وظيفة بنيت سابقا في خانة وظيفة. في "المعلمات" علامة التبويب تعيين القيم الأولية لث إلى 0.1، وE إلى 1.99 لWS 2 و 1.85 لموس 2. ضغط مناسب"
    6. تسجيل الطاقة E '0، وهي الطاقة المرتبطة A-الأكسيتون، E' A.
    7. تحديد عدد طبقات وفقا لمعادلات 5 (موس 2) و 6 (WS 2).
      المعادلة 5 (المعادلة 5، MOS 2)
      المعادلة 6 (المعادلة 6، WS 2)
      مع λ وتدل على الطول الموجي للA-excitoن و E وتدل على الطاقة من A-الأكسيتون.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

السائل سلسلة الطرد المركزي (الشكل 1) هي تقنية قوية لفرز nanosheets-تقشر السائل حسب حجم وسماكة كما هو موضح في الشكل رقم 2 لكلا موس 2 و WS 2. Nanosheet أحجام الجانبية وسمك يمكن وصفها من قبل تيم الإحصائي وAFM، على التوالي. ويظهر صورة فؤاد نموذجية في الشكل 2A. يتم تحويل سمك nanosheet واضح لطبقة الرقم باستخدام تحليل ارتفاع خطوة (الشكل 2B و C). إحصائية المجهري طول عوائد تحليل وعدد من طبقة رسوم بيانية مثل المعروضة في الشكل 2D و E، على التوالي. ويستخدم هذا التحليل على عدد واسع من الكسور الناتجة عن الطيران الاقتصادي لوصف عملية اختيار الحجم. في الشكل 2F وG، يتم رسم متوسط طول nanosheet وطبقة رقم وظيفة من المائةتسارع راؤول من شركة الطيران الاقتصادي. لوحظ اتجاه مماثل لكلا موس 2 و WS 2. للحصول على مزيد من الأفكار في كل من تقشير وحجم الاختيار، يتم رسم طول وظيفة من عدد طبقة nanosheet في الشكل 2H تظهر علاقات واضحة المعالم مؤكدا أن أصغر، nanosheets أرق يتم فصل من أكبر وأكثر سمكا منها.

على الرغم من أن الإحصاءات المجهري هي أساسا هاما لوصف عملية حجم التحديد، فإنها تعاني من العيب أن تكون وقتا طويلا جدا. بدلا من ذلك، بصري الأطياف الانقراض يمكن استخدامها لقياس كل من طول وسماكة. ويتضح هذا في الشكل (3). الشكل 3A و C تظهر الأطياف الانقراض البصري موس 2 (أ) و WS 2 (C) مع مختلف الأحجام nanosheet متوسط وسمك. أرقام 3B و D تظهر المشتركrresponding تركيبها مشتقات أخرى للمنطقة-A الأكسيتون من كل من المواد التي توضح التحولات الذروة واضحة المعالم للمرحلة الانتقالية.

طريقة واحدة للتعبير عن التغيرات الطيفية هي عن طريق نسب كثافة الذروة في مواقع الطيفية الثابتة. إذا تم اختيار هذه الرعاية، فإنها يمكن أن تكون ذات صلة طول nanosheet نفسه كما هو مبين في الشكل 3E، F. ومن المثير للاهتمام، والبيانات لموس 2 و WS 2 انهارت على نفس المنحنى إذا تم اختيار مواقع ذروة المناسبة. على سبيل المثال، شدة الذروة من A-الأكسيتون على الحد الأدنى المحلية تحويلة A / تحويلة دقيقة تتبع نفس الاتجاه لكل من المواد (الشكل 3E)، فضلا عن نسبة كثافة الذروة في أقصى طاقة عالية على الحد الأدنى المحلية تحويلة Max- سعادة / تحويلة دقيقة (الشكل 3F). وهذا يعني أن حجم nanosheet لكل من المواد يمكن أن تكون مرتبطة كميا لطول nanosheet عبر م> نفس المعادلات (المعادلة 1 و 2). نظرا للتغيرات في الشكل الطيفي، معاملات الانقراض هي أيضا تعتمد على حجم nanosheet. وهذا هو أكثر أو أقل حدة اعتمادا على موقف الطيفي. على سبيل المثال، كما المرسومة في الشكل الجيل الثالث 3G، ومعامل انقراض A-الأكسيتون لكل من المواد هو بقوة طول المعالين. ولكن هذا ليس هو الحال في 345 نانومتر لموس 2 و 235 نانومتر للWS 2 بحيث معامل الانقراض في هذه المواقف طيفية يمكن استخدامها كإجراء قوي إلى حد معقول لتركيز nanosheet على طائفة واسعة من الأحجام. وبالإضافة إلى ذلك، أطياف الانقراض لا توفر فقط البصيرة في nanosheet حجم الجانبي والتركيز مشتتة، ولكن أيضا في سمك nanosheet. عدد الطبقات يمكن أن تكون ذات صلة كميا لموقف الذروة / الطاقة من A-الأكسيتون (تم الحصول عليها من تحليل المشتقة الثانية) كما المرسومة في الشكل 3H.

"> الشكل 2
الشكل 2: تحديد الحجم ونتيجة لاختيار حجم LCC لموس 2 و WS 2. أ) صورة الممثل فؤاد من nanosheets تودع بشكل فردي في ثنائي الأبعاد (أعلى) وثلاثي الأبعاد أسفل) عرض (. من هذه الصور، طول nanosheet، L وارتفاع AFM واضح، أي سمك، يتم تحديد ر. ب) صورة (الشكل) والشخصية خط عبر nanosheet تقشر inhomogeneously. الخطوات المرتبطة المدرجات على nanosheet هي ملحوظ بشكل واضح. C) خططت مرتفعات الخطوة من nanosheets مثل B في ترتيب تصاعدي. لكل من MOS 2 و WS 2، وهذه هي دائما من مضاعفات الرقم 1.9 نانومتر. وهذا يعني طبقة واحدة لديها سمك AFM واضح من 1.9 نانومتر. D) الرسم البياني للطول nanosheet من عينة تمثيلية من تيم الإحصائي. E) عدد طبقة، N N بقسمة سمك واضح من ارتفاع خطوة من 1.9 نانومتر. F، G) متوسط طول nanosheet <L> (F) وعدد من الطبقات <ن> (G) تآمر بوصفها وظيفة من التعاون الإقليمي المركزي في LCC. H) قطعة طول nanosheet بوصفها وظيفة من سمك لموس 2 و WS 2-اختيار الحجم. مقتبس بإذن من 12،13. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل (3): الأطياف الانقراض وحجم الطيفية والمقاييس سمك. A، C) الانقراض البصرية أطياف LCC فصل موس 2 (أ) و WS 2 (C B، خططت D) مشتقات الثانية من A-الأكسيتون مقابل الطاقة لموس 2 (ب) و WS 2 (D) بعد تمهيد المشتق الثاني مع المتوسط المجاورة. خطوط الصلبة نوبات إلى مشتق الثانية من Lorentzian لتقييم مواقف الذروة / الطاقات. E، F) قطع من نسب كثافة الذروة بوصفها وظيفة من طول nanosheet يعني <L>. بيانات لموس 2 و WS 2 تقع على نفس المنحنى. وبالتالي يمكن أن تستخدم نفس المعادلات لقياس طول nanosheet. E) قطعة نسبة كثافة الذروة في A-الأكسيتون / الحد الأدنى المحلية. <L> يمكن تحديدها وفقا لمعادلة 1. F) قطعة نسبة كثافة الذروة في أقصى طاقة عالية / أدنى المحلي. <L> يمكن تحديدها وفقا لمعادلة 2. G) معامل الانقراض في DIFferent مواقف الطيفية وظيفة من طول nanosheet. في بعض المواقف الطيفية (مثل A-الأكسيتون)، معاملات الانقراض هي غاية حجم ليعتمد، في حين أن في الآخرين (345 نانومتر لموس 2 و 235 نانومتر للWS 2) ليست هذه هي القضية. H) قطعة الطاقات ذروة A-الأكسيتون (من مشتقات الثانية) تآمر بوصفها وظيفة من عدد طبقة <N>. أرقام طبقة يمكن تحديد وفقا لمعادلات 5 و 6. مقتبس بإذن من 12،13. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

إعداد عينة

ويتم إنتاج عينات الموصوفة هنا صوتنة طرف. إجراءات تقشير بديلة يمكن استخدامها، ولكن سوف تؤدي إلى تركيزات مختلفة، والأحجام الجانبية ودرجات تقشير. وينبغي تجنب سعة أعلى وأطول على البقول خلال صوتنة لمنع ضررا من sonicator. وتم الحصول على نتائج مماثلة باستخدام 500 المعالجات دبليو. ومع ذلك، والوقت صوتنة والسعة له تأثير على تقشير nanosheet والاختلافات من هذا البروتوكول قد يؤدي في أحجام مختلفة nanosheet وتركيزات من المقدمة هنا. ونؤكد على أن التبريد أمر بالغ الأهمية خلال صوتنة، والتدفئة يمكن أن تلحق الضرر وتحط من nanosheets وتدهور الخصائص البصرية الناتجة من المواد التي تم الحصول عليها. بينما تركيزات أولية أعلى من مسحوق TMD يمكن أن تزيد من تركيز nanosheet أبعد من ذلك حصلت هنا، وهذا لا يحدث خطيا. لمعلومات سرية صوتنة، وشارك فرقتncentration التشبع عادة خارج تركيزات TMD الأولية من 30-40 GL -1.

المختار سلسلة حجم التحديد يمكن تعديلها بسهولة لتناسب النتيجة المرجوة. في حين أن هذا الإجراء عوائد محددة nanosheet الأحجام والسماكات على نطاق وحجم واسع في كسور مختلفة، في حال استهدفت أحجام محددة فقط الخطوات الطرد المركزي يمكن تخطي. على سبيل المثال، إذا رغبت nanosheets متوسطة الحجم، يمكن طرد العينة في اثنين فقط من تسارع الطرد المركزي المختلفة والرواسب redispersed. بدلا من ذلك، يمكن تطبيقها أجهزة الطرد المركزي أكثر تعقيدا لتحقيق تخصيب أحادي الطبقة (انظر (13) لمزيد من التوضيح). هذه المرونة في تركيبة مع القدرة على redisperse العينات بتركيزات عالية هي ميزة فريدة من نوعها من شركة الطيران الاقتصادي عبر بروتوكولات الحجم الاختيار الأخرى.

فمن المستحسن استخدام ملء ارتفاعات في قارورة أجهزة الطرد المركزي من <10 سم لهذا البروتوكول. إذا فيل أكبروتستخدم مرتفعات ينغ في قارورة، ومرات الطرد المركزي تحتاج إلى زيادة الحصول على نتائج مماثلة. وينبغي دائما أن بيليه مثل الرواسب لكفاءة اختيار حجم وطاف يصب بعناية وبشكل كامل. إذا كانت الرواسب ليس مثل بيليه، يحتاج وقت الطرد المركزي إلى زيادة. ارتفاع درجات الحرارة (أيضا خلال الطرد المركزي) وينبغي تجنب وعينات من الأفضل تخزينها في الثلاجة للحد من تدهور المواد بعد الإعداد. إذا تم تنفيذ الطرد المركزي بها في انخفاض درجات الحرارة والترسيب أبطأ وقد تتطلب مرات الطرد المركزي تعديل. قد يؤدي مختلفة الطرد المركزي والدوار وهندستها في طول وسماكة الانحرافات عن بيانات تمثيلية مبين. ومع ذلك، على الرغم من هذه الخفايا، بشكل عام، وإجراءات اختيار حجم قوي ويمكن تطبيقها على مختلف المواد في المذيبات وكذلك السطحي. يتم تجاهل طاف النهائي بعد الطرد المركزي في تسارع عالية عادة،كما أنه يحتوي على صغير جدا (<30 نانومتر) nanosheets مع الخصائص التي تهيمن عليها الحواف فقط. يمكن أن يتم اختيار مخطط حجم في أي الطرد المركزي الفوق (أي، لا يلزم نابذة بدلا من التدرج الكثافة الطرد المركزي). هنا، تم تنفيذ جميع centrifugations عند 15 درجة مئوية لمدة 2 ساعة في كل خطوة باستخدام أجهزة الطرد المركزي 220R (انظر قائمة المواد). تم استخدام اثنين من الدوارات المختلفة. لسرعات ≤ 3500 x ج، كان يعمل زاوية الدوار ثابت حيث يرتبط معدل الطرد المركزي، و (في krpm) إلى قوة الطرد المركزي عن طريق التعاون الإقليمي = 106.4 و 2. في هذه الحالة، 28 قارورة من الزجاج مل تحتوي على ~ 10 مليلتر مأخوذة = استخدمت 10 سم ملء الارتفاع. لسرعات> 3500 x ج، تم طرد العينات في 1.5 مل البلاستيك طرد الأنابيب في الدوار زاوية ثابتة، حيث يرتبط و لقوة الطرد المركزي عن طريق التعاون الإقليمي = 97.4 و 2.

لتحليل طول nanosheet، ينصح تيمكأداة تحليل نتيجة لدقة أعلى بالمقارنة مع المجهر الإلكتروني وإنتاجية أعلى مقارنة مع فؤاد. وعلاوة على ذلك، يوجد AFM أيضا العيب أن أحجام الجانبية عادة ما تكون المبالغة نتيجة لتوسيع طرف وغرابة الأطوار. أي تيم التقليدية حتى مع الفولتية تسريع 200 كيلو فولت يمكن استخدامها. في هذه الحالة، تم إجراء التصوير على شبكات الكربون هولي (400 شبكة). لnanosheets صغير جدا، يمكن أن شبكات فيلم مستمرة تكون مفيدة ولكنها ليست المطلوبة. في المقابل، ينصح AFM كأداة تحليل لتحديد nanosheet عدد طبقة. وذلك لأن تيم تقرير سمك من قبل العد حافة يمكن أن يكون مشكلة، كما أصبحت nanosheets أرق نحو الحافة، مما يستلزم أن مناطق متعددة لكل nanosheet سوف تحتاج إلى أن تفقد لتحديد متوسط ​​سمك. هذا هو أقل بكثير من مشكلة عند استخدام AFM كما بلغ متوسط ​​سمك قياس بسهولة على nanosheets غير متجانس. لتحليل AFM فمن الأهمية بمكان خاص لتجنب إعادة AGG-regation من nanosheets على رقاقة خلال تبخر المذيبات. لتجنب هذا الأمر، فمن المستحسن أن تشتت على الرقائق قبل ساخنة الصب الهبوط. وحاملة الماء مباشرة يتبخر وتتشكل فقاعات، مما أدى إلى ترسب أكثر اتساقا بالمقارنة مع إسقاط صب على رقائق في درجة حرارة أقل. ينصح سي / شافي 2 رقائق مع طبقة أكسيد 200-300 نانومتر كما يمكن أن يرى الأشياء تحجيم نانو مع مجهر / زووم بصري البصرية على شكل بقع زرقاء. 22 هذا هو دليل مفيد لتخصيص مناطق الفائدة للتصوير. ينبغي تعديل مجال الرؤية وفقا لحجم nanosheet. لالبيانات المقدمة هنا، وقد أجريت AFM خارجا على الماسح الضوئي 13 ميكرون في وضع التنصت. وتراوحت أحجام الصور النمطية من 2 × 2 ميكرون 2 إلى أقصى 8 × 8 ميكرون (2) لnanosheets أكبر في معدلات المسح الضوئي من 0.4-0.7 هرتز مع 512 خط لكل صورة. بدلا من ذلك، اعتمادا على AFM معين أو الماسح الضوئي والمسح الضوئي من مساحات واسعة في دقة أعلى (على سبيل المثال، 2 مع 1024 خطوط) يمكن أن تكون مريحة. ويرد الصورة النمطية في الشكل 2A، B. بالسطح المتبقية يمكن جعل قياسات سمك مملة جدا خاصة بالنسبة للnanosheets صغير جدا التي يصعب تمييزها عن السطحي. في هذه الحالة، يمكن للصور أن المرحلة توفر دليلا، لأنها عادة ما تعطي تباين جيد بين المواد المختلفة. إذا كانت المشاكل مع بالسطح المتبقية لا تزال قائمة، ورقائق يمكن أن تكون غارقة في الماء طوال الليل من دون خسارة كبيرة من nanosheets على الرقاقة.

بشكل عام، عد أقل من 150-200 nanosheets قد يكون كافيا للحصول على عينات مع أصغر متوسط ​​الحجم، حيث أن هذه تميل إلى أن تكون أقل polydisperse. إذا تم تحليلها تشتت الأسهم المختارة غير الحجم، فمن المستحسن أن لا يقل عن 200 nanosheets ينبغي تسجيل. في حالة استخدام المذيبات في جميع أنحاء الداخلي بدلا من الحلول السطحي / المياه، والتفرق يجب أن تكون مخففة مع PRIO المذيبات منهاr لترسب. يجب توخي الحذر أثناء التصوير على عدم التحيز فرز نحو nanosheets أكبر، والتي هي أسهل للتمييز. تركيز التفرق المودعة مهم حيث يميل nanosheets لإعادة تجميع لتركيزات nanosheet المفرطة، مما أدى إلى حجم دقيقة / تقرير سمك. القيم المتطرفة نحو الأحجام nanosheet المتطرفة على إما أكبر أو أصغر نهاية يمكن التحيز الإحصاءات بشكل كبير. في الحالات القصوى، وهذه لا ينبغي أن تدرج في تحديد القيم المتوسطة. رسوم بيانية عادة تسجيل المعتاد في شكل 23 (الشكل 2D، E). إذا لم تكن هذه هي الحالة، العد و / أو قد يكون متحيزا التصوير. من هذه الرسومات البيانية والتحليل الإحصائي، يتم الحصول على عدد المتوسط ​​الحسابي. وعادة ما يرتبط هذا أيضا جزء حجم متوسط ​​المرجح لقيمة، وبالتالي قدرا صالحا الجانبي حجم / سمك.

اختيار حجم والمقاييس

على حد سواء يعني nanoshطول EET، <L> وسمك nanosheet، <N> يتم تخفيض كما تزداد معدلات الطرد المركزي، أي كما تقدم التشتت من خلال تتالي. يمكننا تحديد هذه الآثار من خلال التآمر <L> (من تيم) بوصفها وظيفة من تسارع الطرد المركزي (التعاون الإقليمي) المرتبطة منتصف معدلات الطرد المركزي كما تدل إطار التعاون الإقليمي المركزي (الشكل 2F). طول nanosheet المتوسط يقع قبالة كما (المركزي التعاون الإقليمي) -0.5 لكل MOS 2 و WS 2. في نفس التسارع الطرد المركزي المركزية والأحجام الجانبية للموس 2 هي أكبر قليلا من لWS 2 وهو ما يرجع إلى كثافة أقل من هذه المادة. وبالمثل، <N> (من إحصاءات AFM) يتم رسم مقابل التعاون الإقليمي المركزي في الشكل 2G. انها تقع مع سرعة دوران المركزية عبر (المركزي التعاون الإقليمي) -0.4. ومن المثير للاهتمام، وبيانات من المنظمات الأعضاء 2 وWS 2انهارت تقريبا على نفس المنحنى. أسباب هذا السلوك هي حاليا غير مفهومة وتحتاج إلى مزيد من الاستكشاف. في الختام، يتم فصل nanosheets أصغر وأرق من تلك أكبر وأكثر سمكا كما هو موضح في الشكل 2H.

على الرغم من أن هذا قد يكون من المتوقع من الطرد المركزي، نلاحظ أن هذا ليس له علاقة بالضرورة لعملية الطرد المركزي وحده. وهذا هو أيضا لأننا نجد باستمرار لعدد من المواد تقشر صوتنة (موس 2 12، WS 2 13، زارة النفط 3 24، أسود الفوسفور 16، والغاز 15) أن nanosheets أرق تميل إلى أن تكون أصغر حجما، في حين تميل nanosheets سمكا إلى أن تكون أكبر . تحليل لأبعاد الجانبية للnanosheets من سمك معين في كل جزء أظهرت في وقت سابق ان متوسط ​​طول من nanosheet هو ثابت تقريبا في عينة واحدة لسمك مختلفة. 13 هذا مثير للاهتمام، لأنها implIES أن هذا الطرد المركزي هو عملية فصل طول في تقريب الأول. هذا يشير إلى أن التوازن في الطرد المركزي ليست وصل بعد العصر الطرد المركزي قصيرة نسبيا من 2 ساعة في كل خطوة حتى والظهر نشر والاحتكاك يمكن أن تلعب دورا بارزا. وهذا يعني أيضا أن مختلف nanosheet العلاقات طول سمك يمكن أن تنتج عن طريق تعديل تتالي. 13

الملف الشخصى الأطياف الأطياف الانقراض البصرية تعتمد بقوة على أبعاد nanosheets بسبب الحافة والحبس الآثار. هنا نستخدم الكسور التي تنتجها شركة الطيران الاقتصادي لدراسة تأثير حجم nanosheet وسمك على أطياف انقراض موس 2 و WS 2. انقراض أطياف قياس في انتقال قياسية تحتوي على مساهمات من كلا الامتصاصية ونثر. ويمكن الحصول على 12،25 أطياف الامتصاص من قبل قياس في وسط دائرة ودمج حيث يتم جمع كل الضوء المتناثرة. في قرار يتخذالنظام نانت، أي حيث تمتص المواد متناهية الصغر الخفيفة، الطيف نثر يتبع الامتصاصية تقريبا في الشكل. لذلك، يمكن الحصول على المعلومات المشفرة في الطيف الامتصاصية من تحليل الأطياف الانقراض. 12،13،15-17 في نظام غير الرنانة (فوق ~ 700 نانومتر لموس 2 و WS 2)، الأس نثر يمكن تحديد والذي يرتبط أيضا إلى nanosheet (الجانبي) الحجم. انظر المراجع 12،13،15-17.

كما هو مبين في الشكل 3A و C، الأطياف الانقراض البصرية عرض التحولات excitonic مميزة، 26 ولكن تختلف بشكل منتظم مع حجم nanosheet وسمك. بالإضافة إلى الاختلافات في كثافة نسبية في جميع المناطق الطيفية بأكملها، ويلاحظ التحولات التحولات excitonic. هذا هو أفضل تصور من أطياف المشتقة الثانية في منطقة A-الأكسيتون (الشكل 3B وD

آثار حافة تؤدي إلى اعتماد البيانات الشخصية الطيفي على طول nanosheet. 12 التغييرات في شكل الطيفي مع nanosheet حجم الجانبي يمكن ترشيده من الحواف يجري مختلفة إلكترونيا من مناطق الوسط. ولذلك، فإن معامل الانقراض المرتبطة حافة nanosheet يختلف عن معاملات الانقراض على الطائرات القاعدية. وهذا يمكن أن يكون كميا عن طريق نسبة كثافة الانقراض في اثنين من أطوال موجية مختلفة. من حيث المبدأ، أي نسبة كثافة الذروة يمكن أن تكون ذات صلة لحجم nanosheet. ومع ذلك، فإن مقاييس الحجم تكون أكثر موثوقية أكبر الفرق في الشكل الطيفي في مواقف معينة. أمثلة مناسبة ونسب كثافة في A-الأكسيتون إلى أنه في الدنيا المحلية، تحويلة A / دقيقة تحويلة (الشكل 3E) أو في الحدود القصوى عالية الطاقة لأنه في الدنيا المحلية، تحويلة ماكس سعادة / تحويلة دقيقة، (الشكل 3F).

<ص الطبقة = "jove_content"> البيانات في أرقام 3E، F يمكن تركيبها على المعادلة التالية 12

المعادلة 7 (المعادلة 7)

حيث ε c هي معامل الانقراض المرتبطة nanosheet الطائرة القاعدية، Δ ε = ε E - ε ج حيث ε E هو معامل الانقراض منطقة الحافة، ولام، س و ك هي طول nanosheet، سمك الحافة والجوانب طول العرض النسبة، على التوالي. نجد هذه المعادلة يناسب البيانات بشكل جيد للغاية مما يسمح لنا لتوليد الوظائف المتعلقة طول nanosheet نفسه، L إلى نسب كثافة الانقراض الذروة (انظر معادلات 1 و 2). نسبة كثافة تحويلة A / تحويلة دقيقة مفيدة للغاية، كما أنه يمكن أن تطبق أيضا على المذيبات الأنظمة، حيث المذيب نفسه يمتص لآيت في منطقة الأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، فمن أقل دقة وينهار لnanosheets أصغر. لذا فمن المستحسن استخدام المعادلة 2 تنطوي على تحويلة ماكس سعادة / تحويلة دقيقة عند منطقة الأشعة فوق البنفسجية يمكن الوصول إليها.

ونتيجة لهذه التأثيرات الحافة، تتغير معاملات الانقراض بوصفها وظيفة من حجم nanosheet (الشكل 3G) إجراء قياسات تركيز دقيقة من nanosheets في تشتت التحدي. ومع ذلك، على حد سواء موس 2 و WS 2، كنا قادرين على تحديد مواقع الطيفية، حيث معامل الانقراض ثابتة على نطاق واسع مع حجم nanosheet. لموس 2، ومعامل الانقراض في 345 نانومتر (ε 345nm (موس 2) = 68 جي -1 سم -1) يمكن استخدامها في معامل العالمي لتحديد تركيز المشتتين على نطاق وحجم واسعة ولWS 2، ومعامل الانقراض في 235 نانومتر (ε 235nm (WS 2) = 48 جي -1 سم -1) هو حجم ثابتة على نطاق واسع.

وبالإضافة إلى الآثار طول، تحتوي على أطياف الانقراض أيضا معلومات عن سمك nanosheet نفسه. يتم تخفيض هذه النتيجة في تحولات الموقف A-الأكسيتون (الشكل 3H) نحو أطوال موجية أقل مثل سمك nanosheet. علينا أن نحدد مركز ذروة الموقف الجماعي للA-الأكسيتون من المشتقات الثانية لربط التغييرات في التشكيل الطيفي كميا على أنها تعني سمك nanosheet وفقا لمعادلات 5 و 6. كل من موس 2 و WS 2 متابعة علاقة logarithmical مع نفس المنحدر . ونحن نعزو هذه التحولات إلى تغييرات في هيكل الفرقة مع عدد طبقة والتغيرات في متوسط ​​ثابت العزل الكهربائي في جميع أنحاء حدات TMD مع عدد طبقة.

يصف بروتوكول للدولة من بين الفن سائل تقشير المواد الطبقات واختيارهم حجم بواسطة الطرد المركزي سلسلة السائل. موس 2 و WS2 في حل بالسطح المائي ويتم اختيار كأنظمة نموذج. ومع ذلك، فإنه يمكن تطبيقها على المواد الطبقات الأخرى أو أنظمة المذيبات. هذا براعة وقوة كبيرة، لأنه يجعل مجموعة واسعة من المواد ذات حجم معقول واضحة المعالم وذلك في السوائل. وبالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم وصفا مفصلا عن حجم وسمك الجانبي تحديد دقيق باستخدام المجهر الإحصائي. على الرغم من أن يستخدم على نطاق واسع المجهر كأداة تحليل، يجب أن تؤخذ بعناية فائقة للحصول على إحصاءات دقيقة وموثوق بها، وعدم كفاية إعداد العينات (مثل إيداع عينات عالية التركيز)، وتحليل دقيق والتصوير يمكن أن تحرف بشكل كبير إحصائية القيم المتوسطة.

على الرغم من أهمية بالغة، هذا المجهر الإحصائي هو في نفس الوقت زجاجة الرقبة في جعل العينات ذات جودة عالية من المواد النانوية تقشر السائلة يمكن الوصول إليها. وهذا ببساطة لأن هذا الإجراء هو مملة وتستغرق وقتا طويلا. في هذه المخطوطة، ونحن أيضا مناقشة بديل للتحايل على هذه المشكلة. ويستند هذا المبدأ على ربط أحجام nanosheet وسمك كميا لأطيافها البصرية مثل الأطياف الانقراض. هذه تتفاوت تفاوتا كبيرا ومنهجية بوصفها وظيفة من حجم. وهذا يمكن أن تستخدم لاستخراج المعلومات الكمية على حد سواء nanosheet حجم الجانبي وسمك من الأطياف الضوئية. هذه المقاييس هي قوية للغاية، و، معايرة مرة واحدة، لأنها توفر حجم nanosheet والمعلومات سمك في غضون دقائق. وميزة هذا هو على الأقل شقين. من ناحية، ويمكن استخدامها لتحسين وفهم كل من تقشير واختيار حجم بواسطة تقنيات أخرى غير تلك المطبقة هنا. من ناحية أخرى، وأنها توفر فرصة فريدة من نوعها لإنتاج العينات مع حجم المعروفة والسمك بسهولة لتمكين دراسة حجم الآثار على حد سواء للدراسات والتطبيقات الأساسية. وبالإضافة إلى ذلك، تجدر الإشارة إلى أن أوجه التشابه بين المنظمات الأعضاء 2 وWS 2مقاييس مشجعة للغاية وتشير إلى أن - مع هذا البروتوكول في متناول اليد - مقاييس مماثلة يمكن أن تنشأ عن المواد الطبقات الأخرى.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sodium cholate hydrate, from ox and/or sheep bile Sigma Aldrich C1254-100G Surfactant used as stabilizer in the form of an aqueous solution (i.e., after dissolving the powder in millipore water)
MoS2 powder Sigma Aldrich 69860-100G Other distributors available, but exfoliation and outcome of size selection can vary
WS2, powder 2 μm Sigma Aldrich 243639-50G Other distributors available, but exfoliation and outcome of size selection can vary
ImageJ Software Developer: National Insitutes of Health 64-bit Java version 2.45 1.6.0_24 Image processing software used for TEM analysis, free download
Gwyddion Software Developer: Czech Metrology Institute 64-bit Java version 2.45 Image processing software used for AFM analysis, free download
Origin Pro Software OriginLab Version 2016 Software used for data analysis such as differntiation and fitting of the extinction spectra
Centrifuge HettichLab Mikro 220R any other benchtop centrifuge is suitable
Rotor 1 Hettich Rotor 1016 for centrifugation <5,000 x g
Rotor 2 Hettich Rotor 1195-A for centrifugation >5,000 x g

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zhang, H. Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials. ACS Nano. 9, 9451-9469 (2015).
  2. Yi, M., Shen, Z. A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene. J. Mat. Chem. A. 3, 11700-11715 (2015).
  3. Jariwala, D., Sangwan, V. K., Lauhon, L. J., Marks, T. J., Hersam, M. C. Emerging Device Applications for Semiconducting Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides. ACS Nano. 8, 1102-1120 (2014).
  4. Nicolosi, V., Chhowalla, M., Kanatzidis, M. G., Strano, M. S., Coleman, J. N. Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science. 340, 1420 (2013).
  5. Butler, S. Z., et al. Progress, Challenges, and Opportunities in Two-Dimensional Materials Beyond Graphene. ACS Nano. 7, 2898-2926 (2013).
  6. Bonaccorso, F., Bartolotta, A., Coleman, J. N., Backes, C. Two-dimensional crystals-based functional inks. Adv. Mater. , accepted (2016).
  7. Torrisi, F., Coleman, J. N. Electrifying inks with 2D materials. Nat. Nanotechnol. 9, 738-739 (2014).
  8. Coleman, J. N., et al. Two-Dimensional Nanosheets Produced by Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science. 331, 568-571 (2011).
  9. Smith, R. J., et al. Large-Scale Exfoliation of Inorganic Layered Compounds in Aqueous Surfactant Solutions. Adv. Mater. 23, 3944-3948 (2011).
  10. Khan, U., O'Neill, A., Porwal, H., May, P., Nawaz, K., Coleman, J. N. Size selection of dispersed, exfoliated graphene flakes by controlled centrifugation. Carbon. 50, 470-475 (2012).
  11. Kang, J., Seo, J. -W. T., Alducin, D., Ponce, A., Yacaman, M. J., Hersam, M. C. Thickness sorting of two-dimensional transition metal dichalcogenides via copolymer-assisted density gradient ultracentrifugation. Nat. Commun. 5, 5478 (2014).
  12. Backes, C., et al. Edge and Confinement Effects Allow in situ Measurement of Size and Thickness of Liquid-Exfoliated Nanosheets. Nat. Commun. 5, 4576 (2014).
  13. Backes, C., et al. Production of Highly Monolayer Enriched Dispersions of Liquid-Exfoliated Nanosheets by Liquid Cascade Centrifugation. ACS Nano. 10, 1589-1601 (2016).
  14. Green, A. A., Hersam, M. C. Solution Phase Production of Graphene with Controlled Thickness via Density Differentiation. Nano Lett. 9, 4031-4036 (2009).
  15. Harvey, A., et al. Preparation of Gallium Sulfide Nanosheets by Liquid Exfoliation and Their Application As Hydrogen Evolution Catalysts. Chem. Mater. 27, 3483-3493 (2015).
  16. Hanlon, D., et al. Liquid Exfoliation of Solvent-Stabilised Few-Layer Black Phosphorus for Applications Beyond Electronics. Nat. Commun. 6, 8563 (2015).
  17. Backes, C., et al. Spectroscopic metrics allow in-situ measurement of mean size and thickness of liquid-exfoliated few-layered graphene nanosheets. Nanoscale. 8, 4311-4323 (2016).
  18. Rodenburg, J. Tutorial Courses on Transmission Electron Microscopy. , Available from: http://www.rodenburg.org/ (2016).
  19. Ridings, C., Warr, G. G., Andersson, G. G. Composition of the outermost layer and concentration depth profiles of ammonium nitrate ionic liquid surfaces. Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 16088-16095 (2012).
  20. Nemes-Incze, P., Osváth, Z., Kamarás, K., Biró, L. P. Anomalies in thickness measurements of graphene and few layer graphite crystals by tapping mode atomic force microscopy. Carbon. 46, 1435-1442 (2008).
  21. Paton, K. R., et al. Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids. Nat. Mater. 13, 624-630 (2014).
  22. Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional atomic crystals. Proc. Nat. Ac. Sci. U. S. 102, 10451-10453 (2005).
  23. Kouroupis-Agalou, K., et al. Nanoscale. 6, 5926-5933 (2014).
  24. Hanlon, D., et al. Production of Molybdenum Trioxide Nanosheets by Liquid Exfoliation and Their Application in High-Performance Supercapacitors. Chem. Mater. 26, 1751-1763 (2014).
  25. Yadgarov, L., et al. Dependence of the Absorption and Optical Surface Plasmon Scattering of MoS2 Nanoparticles on Aspect Ratio, Size, and Media. ACS Nano. 8, 3575-3583 (2014).
  26. Wilson, J. A., Yoffe, A. D. Transition metal dichalcogenides. Discussion and interpretation of the observed optical, electrical, and structural properties. Adv. Phys. 18, 193-335 (1969).

Tags

الهندسة، العدد 118، المواد الطبقات، dichalcogenides الانتقال المعدنية، تقشير السائل، واختيار الحجم، الطرد المركزي، الخصائص البصرية، والحبس، والآثار حافة
إعداد تقشر السائل الانتقال المعادن Dichalcogenide Nanosheets مع تسيطر الحجم والسماكة: دولة على البروتوكول الفن
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Backes, C., Hanlon, D., Szydlowska,… More

Backes, C., Hanlon, D., Szydlowska, B. M., Harvey, A., Smith, R. J., Higgins, T. M., Coleman, J. N. Preparation of Liquid-exfoliated Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets with Controlled Size and Thickness: A State of the Art Protocol. J. Vis. Exp. (118), e54806, doi:10.3791/54806 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter