C60/石墨烯杂化纳米结构的制备与表征

摘要

本文介绍了一种通过物理热蒸发法制备C₆₀/石墨烯杂化纳米结构的实验方案。特别地，通过精确调控沉积和退火条件，可在波纹石墨烯表面可控地形成一维和准一维的C₆₀结构。

摘要

在高真空环境中进行物理热沉积是一种在石墨烯上制备新型分子纳米结构的清洁且可控的方法。本文介绍了在波纹状石墨烯上沉积并被动操控C₆₀分子的方法，推动了实现一维C₆₀/石墨烯杂化结构应用的研究进展。本方法适用于具备分子沉积和样品热退火能力的高真空系统。我们重点采用在低压条件下使用自制克努森（Knudsen）炉连接扫描隧道显微镜（STM）系统进行C₆₀沉积。通过调控克努森炉的温度和沉积时间，可精确控制沉积的分子数量。通过优化实验条件，可制备出宽度为两到三个分子的一维（1D）C₆₀链状结构。随着退火温度升高，C₆₀分子在石墨烯表面的迁移能力增强，使其能够在波纹状石墨烯的周期性势场中移动。利用这一机制，可实现一维C₆₀链状结构向六方密排准一维条带结构的可控转变。

引言

本方案介绍了如何在石墨烯上沉积和操控C₆₀分子，以实现一维和准一维C₆₀链状结构的构建。本实验所采用的技术旨在解决引导吸附分子形成理想构型的需求，而无需依赖人工操控——后者过程缓慢且耗时耗力。此处描述的实验步骤依赖于高真空系统，并配备可支持分子沉积和样品热退火的样品制备区域。样品表征采用扫描隧道显微镜（STM），但也可应用其他具备分子级分辨率的表征技术。

在克努森（Knudsen）炉中对分子进行热蒸发是制备薄膜的一种高效且洁净的方法。本实验方案中，使用克努森炉将C₆₀分子蒸发并沉积到石墨烯基底上。该克努森炉蒸发装置主要由石英管、加热灯丝、热电偶导线和馈通装置^1,2,3组成。石英管用于盛放待蒸发的分子，钨丝灯丝通过通电加热石英管内的分子，热电偶导线则用于测量温度。在实验中，通过调节克努森炉内的温度源来控制沉积速率。热电偶导线通常固定在石英管外壁，因此测得的是外壁温度，与分子源所在炉内区域的实际温度略有差异。为了获得石英管内部的准确温度，我们采用两组热电偶装置分别测量管内和管外温度，并记录其温差进行校准。通过该方法，可利用固定在石英管外壁的热电偶导线更精确地控制分子蒸发过程中的源温度。由于在较低压力下，少量升华的分子会处于气相状态....

方案

1. 自制克努森池的制备

1. 准备克努森池的组件
   1. 购买一个带CF法兰的电源馈通件（2.75" CF，4针不锈钢）。在馈通件上钻两个螺纹孔，位置位于一条直径为1.30"的直线与其圆周的交点处。
   2. 准备一根玻璃管（外径（OD）0.315"，长度2.50"）。
   3. 购买厚度为0.005"的薄铜片（纯度99.9%）。用剪刀将其裁剪成7.5"长 × 5.0"宽的尺寸，然后用手将其卷成直径为1.45"的中空柱状屏蔽层（图1a）。
   4. 准备K型热电偶（镍铬-镍铝），通过剪取3"长度的镍铬丝和镍铝丝，使其直径为0.005"。将两种金属丝两端的绝缘层剥离约0.5"长度。
   5. 将直径为0.01"的钨丝（纯度99.95%）剪成约60"长，并将其紧密缠绕在直径与玻璃管相近的金属棒上，形成直径为0.315"的弹簧状结构。
   6. 购买一块陶瓷件。准备一个中间带孔的合适长方体陶瓷件，其孔尺寸需与玻璃管匹配（5 图1b）。
   7. 使用带锯机和车床，将两根标准钢制螺纹杆（直径0.10"）切割成7"长。

结果

蒸发完成后，新沉积的C与石墨烯结合₆₀ 退火处理于 150 °C 2小时。大尺度STM图像中的 图 2a 显示出特征性的准一维C₆₀ 初始退火过程后发现的链状结构。进一步仔细观察显示 图 2b 揭示了该一维结构的详细信息，其中每个明亮的球形突起代表一个单独的C₆₀ 分子。通常，一维链以双分子和三分子C₆₀ 平均碳链长度的链₆₀- C₆₀ 距离为 1.00 ± 0.01 nm，表明 C₆₀ 分子以六方密堆积方式排列。线轮廓在 图2c 对应于虚线绿色线 图2b 显示C之间明显的分离₆₀ 链中轮廓的第二和第三个峰是相邻链上的最近邻分子。根据观察，这些链仅以双分子或三分子.......

讨论

本实验方案中描述的技术适用于有机材料及其他高蒸气压材料的热沉积。这些技术可与超高真空系统集成，该系统需具备能够支持分子蒸发和热退火的样品制备区域。本实验的具体目标是在石墨烯基底上沉积C₆₀分子，并研究C₆₀的自组装行为及其热效应。

该方法的优势在于，与其他薄膜制备方法（如旋涂法）相比，能够获得极为洁净的样品。与化学气相沉积（CVD）等更复杂的技术相比，这种物理热蒸发方法更容易实现，且适用于稳定原子和分子的沉积。为了观察C₆₀/石墨烯杂化纳米结构，需要具备原子和分子级分辨率的成像技术，本实验采用扫描隧道显微镜（STM）。在整个沉积过程中，必须通过预先脱气和退火处理，保持基底和C₆₀源的纯度，并始终维持高真空环境。适当的沉积后退火处理对于获得一维（1D）和准一维（quasi-1D）纳米结构至关重要，因为该技术利用了C₆₀在不同热条件下表面迁移能力的变化特性。

扫描隧道显微术（STM）测量表明，通过物理热沉积方法合成的C

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CF 法兰式电源馈通件	Kurt J. Lesker	EFT0042033
铜片	Alfa Aesar	7440-50-8
热电偶铬镍-铝镍合金丝	Omega Engineering	ST032034/ST080042
钨丝	Alfa Aesar	7440-33-7
不锈钢棒	McMaster-Carr	95412A868
铜线	McMaster-Carr	8873K28
中空铜棒	McMaster-Carr	7190K52
C60	MER Corporation	MR6LP