Ein Abonnement von JoVE ist erforderlich, um diesen Inhalt anzuzeigen. Melden Sie sich an oder beginnen Sie noch heute mit einer kostenlosen Testphase.

Methodenartikel

Herstellung von Flüssig-abgeblättert Transition Metalldichalkogenid -Nanoschichten mit kontrollierter Größe und Stärke: A State of the Art-Protokoll

13.5K Ansichten

⸱

DOI:

10.3791/54806

⸱

20. Dezember 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Chair of Applied Physical Chemistry, Ruprecht-Karls University Heidelberg, 2School of Physics and CRANN, Trinity College Dublin

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Ein Protokoll für das flüssige Exfoliation von Schichtmaterialien -Nanoschichten, deren Größe Auswahl und Größenmessung durch mikroskopische und spektroskopische Methoden vorgestellt.

Zusammenfassung

Wir fassen die jüngsten Fortschritte bei der Herstellung von flüssig-exfoliierten Übergangsmetall-Dichalkogenid (TMD)-Nanoblättern mit kontrollierter Größe und Dicke zusammen. Schichtkristalle aus Molybdändisulfid (MoS2) und Wolframdisulfid (WS2) werden in wässriger Tensidlösung durch Ultraschall exfoliert. Dies führt zu hochgradig polydispersen Mischungen, die Nanoblätter mit breiten Größen- und Dickenverteilungen enthalten. Für die meisten Zwecke sind jedoch bestimmte Größen (sowohl in Bezug auf die Seitenabmessungen als auch auf die Dicke) erforderlich. So sind beispielsweise große und dünne Nanoblätter für (opto-)elektronische Anwendungen erwünscht, während lateral kleine Nanoblätter für katalytische Anwendungen interessant sind. Daher ist die Größenauswahl nach dem Peeling ein wichtiger Schritt, den wir hier ansprechen. Wir stellen ein detailliertes Protokoll über die effiziente Größenauswahl in großen Mengen durch Flüssigkeitskaskadenzentrifugation und die Größen- und Dickenquantifizierung durch statistische mikroskopische Analysen (Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie) zur Verfügung. Der Vergleich von MoS2 und WS2 zeigt, dass beide Materialien auf ähnliche Weise nach dem gleichen Verfahren größenselektiert werden. Wichtig ist, dass die Dispersionen von größenselektierten Nanoblättern systematische Veränderungen in ihren optischen Extinktionsspektren mit der Größe aufgrund von Kanten- und Einschlusseffekten zeigen. Wir zeigen, wie diese optischen Veränderungen quantitativ mit den Abmessungen der Nanoblätter zusammenhängen und beschreiben, wie die mittlere Nanoblattlänge und die Schichtzahl zuverlässig aus den Extinktionsspektren extrahiert werden können. Das Exfoliations- und Größenauswahlprotokoll kann auf eine breite Palette von geschichteten Kristallen angewendet werden, wie wir zuvor für Graphen, Galliumsulfid (GaS) und schwarzen Phosphor gezeigt haben.

Einleitung

Die Möglichkeit, zu produzieren und verarbeiten Graphen, im Zusammenhang mit zweidimensionalen (2D) Kristalle in der flüssigen Phase macht sie zu vielversprechenden Materialien für eine stetig wachsende Palette von Anwendungen als Verbundwerkstoffe, Sensoren, Energiespeicherung und -umwandlung und flexibel (Opto-) Elektronik. 1-6 Um 2D - Nanomaterialien in Anwendungen wie diese erfordern kostengünstige und zuverlässige Funktionsfarben mit On-Demand - laterale Größe und Dicke der nanoskaligen Bestandteile sowie kontrollierten rheologischen und morphologischen Eigenschaften zugänglich im industriellen Maßstab Druck- / Beschichtungsprozesse zu nutzen. 7 In diesem Zusammenhang hat flüssige Phase Peeling eine wichtige Produktionstechnik , die Zugang zu einer ganzen Reihe von Nanostrukturen in großen Mengen werden. 6,8,9 Dieses Verfahren beinhaltet die Beschallung oder Scher von Schichtkristallen in Flüssigkeiten. Wenn die Flüssigkeit in geeigneter Weise ausgewählt wird (dh geeignete Lösungsmittel oder Tensid) werden die Nanoschichten sein stabilized gegen reaggregation. Zahlreiche Anwendungen und proof-of-principle Vorrichtungen wurden durch solche Techniken demonstriert. Wahrscheinlich ist 6 die größte Stärke dieser Strategie seine Vielseitigkeit, wie zahlreiche geschichtete Mutterkristalle abgeblättert und in ähnlicher Weise verarbeitet werden kann, Zugang zu einer breiten Palette von Materialien bereitzustellen , die auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten werden kann.

Doch trotz dieser jüngsten Fortschritte, die resultierende Polydispersität, die aufgrund dieser Flüssigphasen-Herstellungsverfahren (in Bezug auf Nanoschichtlänge und Dicke) entsteht, stellt noch immer einen Engpass bei der Realisierung von Hochleistungsgeräten. Dies ist vor allem, weil die Entwicklung neuer und innovativer Größe Selektionstechniken hat bisher -Nanoschichten Länge und Dicke Charakterisierung mit langwierigen statistischen Mikroskopie (Atomic Force Micros, AFM und / oder Transmissionselektronenmikroskopie, TEM) erforderlich.

Trotz dieser Herausforderungen several Zentrifugationstechniken wurden Längen- und Dickensortierung zu erreichen berichtet. 6,10-13 Die einfachste Szenario ist homogen Zentrifugation, wobei die Dispersion bei einer gegebenen Zentrifugalbeschleunigung zentrifugiert und der Überstand zur Analyse dekantiert. Die Zentrifugationsgeschwindigkeit setzt die Größe abgeschnittene, wobei je höher die Geschwindigkeit ist, desto kleiner sind die Nanoschichten im Überstand. Jedoch leidet diese Technik, die aus zwei Hauptnachteile auf; Erstens , wenn größere Nanoschichten ausgewählt werden sollen ( das heißt, wird die Dispersion bei niedrigen Drehzahlen und der Überstand zentrifugiert , dekantiert) alle kleineren Nanoschichten werden auch in der Probe verbleiben. Zweitens, unabhängig von der Zentrifugiergeschwindigkeit, ein erheblicher Teil des Materials dazu neigt, in dem Sediment verschwendet werden.

Eine alternative Strategie für die Größenauswahl ist Dichtegradienten (oder isopycnic) Zentrifugation. In diesem Fall 11,14 wird die Dispersion in ein Zentrifugenröhrchen injiziert containing ein Dichtegradienten-Medium. Während Ultrazentrifugation (typischerweise> 200.000 xg) wird ein Dichtegradient gebildet, und die Nanoschichten in der Zentrifuge bis zu dem Punkt zu bewegen, wo ihre Auftriebsdichte (Dichte einschließlich der Stabilisator und Lösungsmittel Shell), die Dichte des Gradienten entspricht. Beachten Sie, dass das Nanomaterial auch nach oben während dieses Prozesses bewegen kann (je nachdem, wo es injiziert wurde). In einer solchen Weise werden die Nanoschichten effektiv durch Dicke sortiert anstatt Masse (im Gegensatz zu homogenen Zentrifugation). Während dieses Verfahren eine einzigartige Gelegenheit bietet -Nanoschichten von Dicke zu sortieren, leidet es an bemerkenswerte Nachteile. Zum Beispiel sind die Ausbeuten sehr niedrig und derzeit nicht für die Massenproduktion von getrennten -Nanoschichten ermöglichen. Dies ist zum Teil auf niedrige Gehalte an Monolayern in Stammdispersionen nach Flüssig-Peeling und möglicherweise durch die Optimierung Peeling Verfahren in Zukunft verbessert werden kann. Darüber hinaus ist es in der Regel ein zeitraubender mehrstufigerUltrazentrifugation Prozess mehrere Iterationen mit effizienten Größenauswahl zu erreichen. Ferner wird in dem Fall von anorganischen Nanomaterialien, wird es auf polymerstabilisierten Dispersionen beschränkt die erforderlichen Auftriebsdichten und der Gradient Mediums in der Dispersion zu erhalten, kann bei der Weiterverarbeitung stören.

Wir haben kürzlich gezeigt , dass ein Verfahren , das wir Begriff flüssige Kaskade Zentrifugation (LCC) bietet eine spannende Alternative, 13 , wie wir wollen auch ausführlich in diesem Manuskript. Dies ist ein mehrstufiges Verfahren, das extrem vielseitig verschiedenen Kaskaden ermöglicht zu dem gewünschten Ergebnis entsprechend gestaltet werden. Um diesen Prozess zu demonstrieren, wurde eine Standard - Kaskade ist in Abbildung 1 dargestellt und umfasst mehrere Zentrifugationsschritte wobei jeder verfügt über eine höhere Geschwindigkeit als die letzte. Nach jedem Schritt wird das Sediment zurückgehalten und der Überstand wird dann in Verfahrensstufe verwendet wird. Als Ergebnis enthält jeder Sediment -Nanoschichten in einem gegebenenGrößenbereich, die "gefangen" zwischen zwei Zentrifugationen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wurden; Entfernen der unteren größeren -Nanoschichten in den vorherigen Sediment, während die höhere Geschwindigkeit der kleineren -Nanoschichten in den Überstand entfernt. Kritisch für LCC kann das resultierende Sediment durch milde Beschallung in dem jeweiligen Medium redispergiert vollständig, was in diesem Fall wässrigen Natrium - Cholat H 2 O-SC (SC bei Konzentrationen so niedrig wie 0,1 g L -1). Das Ergebnis ist, Dispersionen mit praktisch beliebiger Konzentration. Wichtig ist, praktisch kein Material in LCC verschwendet, in der Sammlung von relativ großen Massen von größenselektierten Nanoschichten führt. Wie hier gezeigt, haben wir dieses Verfahren auf eine Reihe von flüssigkeits abgeblätterten Nanoschichten einschließlich MoS 2 und WS 2 sowie GaS, 15 schwarz 16 und Graphen 17 in sowohl Lösungsmittel und Tensidsysteme Phosphor aufgetragen.

Diese einzigartige Zentrifugation procedure ermöglicht die effiziente Größe Wahl der Flüssigkeit -Nanoschichten abgeblättert und aktiviert anschließend einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf ihre Größe und Dickenbestimmung. Insbesondere durch diesen Ansatz haben wir gezeigt, dass zuvor optische Extinktion (und Absorption) Spektren der -Nanoschichten systematisch als Funktion beider -Nanoschichten lateralen Abmessungen und -Nanoschichten Dicke ändern. Da wir hier zusammenfassen, hat dies erlaubt uns die Nanoschicht Spektralprofil (insbesondere das Intensitätsverhältnis bei zwei Positionen des Extinktionsspektrum) zur mittleren Nanoschichtlänge als Ergebnis der Nanoschichtrandeffekte zu verbinden. 12,13 Wichtig ist , kann dieselbe Gleichung verwendet werden , um die Größe von MoS 2 und WS 2 zu quantifizieren. Darüber hinaus zeigen wir, dass die A-Exziton Position als Funktion der mittleren Nanoschichtdicke zu niedrigeren Wellenlängen verschiebt aufgrund Confinement-Effekte. Auch wenn Peeling, sowie Größe Auswahl und Bestimmung sind in der Regel eher robust Verfahren hängt das quantitative Ergebnis auf Feinheiten im Protokoll. Doch vor allem für Neulinge auf dem Gebiet ist es schwierig, die Prozessparameter sind am besten zu beurteilen. Das kommt auf die Tatsache, dass experimentelle Abschnitte von Forschungsarbeiten nur eine grobe Protokoll zur Verfügung stellen, ohne zu diskutieren, was Ergebnis ist zu erwarten, wenn das Verfahren zu ändern oder eine rationale hinter dem Protokoll zu geben. In diesem Beitrag wollen wir dies auch bereitstellt, auf die Herstellung von flüssig abgeblättert -Nanoschichten kontrollierter Größe und auf die genaue Bestimmung der Größe eine detaillierte Anleitung und Diskussion zu adressieren, indem entweder statistische Mikroskopie oder Analyse der Extinktionsspektren. Wir sind davon überzeugt, dass dies die Reproduzierbarkeit zu verbessern helfen und hoffen, dass es ein nützlicher Leitfaden für andere Experimentatoren in diesem Forschungsbereich sein.

figure-introduction-1
Figure 1: Schematische Darstellung der Größenauswahl durch flüssige Kaskade Zentrifugation. Größenselektierten -Nanoschichten werden als Sedimente gesammelt. Jedes Sediment wird gesammelt oder "gefangen" zwischen zwei Zentrifugiergeschwindigkeiten (ω) aus niedrigen Drehzahlen beginnen und zu höheren diejenigen von Schritt geht zu Schritt. Das Sediment verworfen nach der ersten Zentrifugation enthält nicht-expandierten Schicht Kristallite, während der Überstand nach dem letzten Zentrifugationsschritt verworfen extrem kleine -Nanoschichten enthält. Größenselektierten Dispersionen werden durch erneutes Dispergieren der gesammelten Ablagerungen in dem gleichen Medium (hier wässrigen Tensidlösung) bei reduziertem Volumen hergestellt. Adaptiert mit Erlaubnis von 13. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

1. Flüssige Exfoliation - Herstellung geeigneter Auf Dispersions

  1. Montieren Sie eine Metallschale unterhalb einer Sonotrode in einem Eisbad.
  2. Tauchen 1,6 g des TMD - Pulver in 80 ml wässriger Lösung von Natriumcholat (SC) Tensid (Natriumcholat - Konzentration, C SC = 6 g L -1) in der Metallschale.
  3. Bewegen Sie den Schallspitze auf dem Boden des Metallschale und dann nach oben von ~ 1 cm. Wickeln Sie Aluminiumfolie um die Schallsonde Verschütten zu vermeiden.
  4. Beschallen die Mischung unter Eiskühlung durch Sondenbeschallung eine solide flachköpfig Spitze (750 W-Prozessor) für 1 h bei 60% Amplitude (Puls von 6 s auf und 2 s aus) zu vermeiden Heizen mit.
  5. Zentrifugieren der Dispersion bei einer Zentrifugation Geschwindigkeit von 2.660 × g für 1,5 Stunden. Überstand verwerfen haltigen Verunreinigungen und sammeln das Sediment in 80 ml frischem Tensid - Lösung (C SC = 2 g L -1).
    HINWEIS: Verwenden Sie maximale Füllhöhen in den Zentrifugenröhrchen von maximal 10 cm. Otherwise, erhöhen Sie die Zentrifugation Zeit.
  6. Thema der Dispersion auf eine zweite, längere Beschallung der festen flachköpfig Spitze mit 5 h bei 60% Amplitude (Puls von 6 s auf und 2 s aus) unter Eiskühlung. Ersetzen Sie das Eisbad alle 2 h, während die Beschallung pausieren.

2. Nanoschichtgrößenauswahl von Liquid Cascade Zentrifugierung

HINWEIS: So wählen Sie -Nanoschichten nach Größe, flüssige Kaskade Zentrifugation mit sequentiell Zentrifugalbeschleunigung Erhöhung angewendet wird (Abbildung 1). Das folgende Verfahren wird als Standardgröße Auswahl der Kaskade im Fall von TMDs empfohlen. Für andere Werkstoffe müssen Zentrifugation Geschwindigkeiten eingestellt werden.

  1. Entfernen nicht-expandierten Pulver durch Zentrifugation bei 240 xg (1.5 krpm), 2 h. Entsorgen Sie das Sediment.
  2. Zentrifugieren Sie den Überstand mit einer höheren Zentrifugalbeschleunigung: 425 · g (2 krpm), 2 h. Sammeln Sie das Sediment in frischem Tensid bei reduziertem Volumen (3-8 ml).
  3. zentrifugieren Sie dieÜberstand bei noch höheren Zentrifugalbeschleunigung: 950 · g (3 krpm), 2 h. Sammeln Sie das Sediment in frischem Tensid bei reduziertem Volumen (3-8 ml).
  4. Wiederholen Sie diesen Vorgang mit den folgenden Zentrifugalbeschleunigungen: 1700 × g (4 krpm), 2650 × g (5 krpm), 3500 × g (6 krpm), 5500 × g (7.5 krpm) und 9750 × g (10 krpm).

3. Bestimmung der -Nanoschichten Größe und Dicke von Statistische Mikroskopie

HINWEIS: Wenn spektroskopische Metriken bereits verfügbar sind, Abschnitt 3 kann übersprungen oder reduziert werden, also nicht für jede Probe durchgeführt.

  1. Länge: Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
    1. Ablage
      1. Verdünne die hohe Konzentration Dispersionen mit Wasser (zur Verringerung der Tensidkonzentration) so, dass sie von Licht in Farbe sind. Tropfen gegossen auf einem Gitter (zB löchrigen Kohlenstoff, 400 mesh) auf einer Filtermembran gelegt, um überschüssige Lösungsmittel Feuchtigkeit ab.
    2. Imaging
      1. Nehmen Sie mehrere images an verschiedenen Positionen auf dem Gitter. Passen Sie das Blickfeld je nach Größe Nanoschicht. Für eine umfassende TEM - Aufnahmen Tutorial, siehe Referenz 18.
    3. Statistische Längenanalyse durchgeführt ImageJ
      1. Öffnen Sie die ImageJ-Software, wählen Sie die entsprechende TEM-Bild über das Menü "Datei" und "Öffnen" das Bild. Das Bild wird in einem neuen Fenster geöffnet.
      2. Klicken Sie auf die "Analyse" aus. Wählen Sie "Set Maßstab" aus dem Dropdown-Menü. Ein neues Fenster öffnet sich. Klicken Sie auf "entfernen Maßstab", tick "global" und klicken Sie auf "OK".
      3. Wählen Sie die "Linie" Werkzeug. Zeichnen Sie ein Linienprofil entlang der Länge der Maßstabsleiste des TEM-Bildes.
      4. Klicken Sie auf "analysieren". Wählen Sie "Set Maßstab" aus dem Dropdown-Menü. Geben Sie die Länge der Maßstabsleiste in nm in die Box "bekannte Strecke" und klicken Sie auf "OK".
        HINWEIS: Der Abstand von der Linie, auf der Skalenleiste gezogen wird, in Pixel angezeigt.
      5. Wählen Sie die "Linie" Werkzeug und messen Sie die Länge Nanoschicht durch ein Linienprofil der längsten Achse der Nanoschicht zu ziehen.
      6. Drücken Sie "Strg + M" zu messen. Ein neues Feld mit der Bezeichnung "Ergebnisse" öffnet sich mit der Nanoschichtlänge in der "Länge" Spalte angezeigt.
      7. Wiederholen Sie Schritt 3.1.3.6 für alle einzeln abgelegten -Nanoschichten (nicht aggregiert sind) im Bild.
      8. Wenn Sie ein neues Bild zu öffnen, wiederholen Sie die Schritte 3.1.3.3- 3.1.3.7. Zählen Sie die Länge von 150 Nanoschichten.
        HINWEIS: Alle Nanoschichtlänge Daten werden im Fenster "Ergebnisse" zusammengestellt und können in andere Programme zur Weiterverarbeitung kopiert werden.
  2. Dicke: Rasterkraftmikroskopie (AFM)
    1. Verdünne die Dispersion so dass fast transparent für das menschliche Auge sind (entsprechend Extinktion Intensität im Idealfall ~ 0,2 pro 1 cm Weglänge bei 400 nm). Im Falle von Dispersionen Tensid, verdünnte mit Wasser nicht Tensid.
    2. Fallen-gossen vorgeheizten Wafern. Für Dispersion auf Wasserbasis, erwärmen den Wafer zu ~ 170 ° C auf einer Heizplatte und Ablagerung 10 & mgr; l pro 0,5 x 0,5 cm 2 Wafer.
    3. Spülen der Wafer gründlich mit einem Minimum von 5 ml Wasser und 3 ml 2-Propanol Rest Tensid und andere Verunreinigungen zu entfernen.
    4. Scannen und mehrere Bilder über die Probe mit dem AFM Sparmodus in tippen. Für kleine -Nanoschichten eine Auflösung von 512 Zeilen pro Bild verwenden und Bildgrößen von maximal 2 x 2 & mgr; m 2. Bei Proben größer -Nanoschichten enthält, erhöhen das Sichtfeld auf bis zu 8 x 8 & mgr; m 2. Verwenden Sie Abtastraten als angemessen (typischerweise 0,4-0,7 Hz). Alternativ scannen größere Flächen mit höherer Auflösung.
    5. Dickenmessung mit Gwyddion Software
      1. Öffnen Sie die Software und wählen Sie die entsprechende AFM-Bild über "Datei" und "offen". Das Bild wird in einem neuen Fenster geöffnet.
      2. Korrigieren Sie den Hintergrund der "Level-Daten durch mittlere Ebene su mitbtraction "" align Reihen "und" richtige horizontale Narben "in der" Data Process "des Home-Menü. Korrekturen Nehmen, die Bildfarbe auf die Legende für einen besseren Kontrast durch einen Rechtsklick ändern und z-Ebene auf Null gesetzt.
      3. Zoom in der Region der Wahl (wenn praktisch). Klicken Sie auf die "Ernte" Werkzeug im Home-Menü. Ziehen Sie den Cursor über das Bild, um die Region der Wahl zu markieren. Drücken Sie auf "Übernehmen". Überprüfen Sie die "neuen Kanal erstellen", um den ausgewählten Bereich öffnen in einem neuen Fenster.
      4. Wählen Sie "extract Profile" aus dem Menü Werkzeuge. Ein neues Fenster öffnet sich.
      5. Zeichnen Sie eine Linie über die Nanoschicht. Schreiben Sie die Dicke in einer Tabelle nach unten. Im Falle von nicht homogen dicken -Nanoschichten, der Mittelwert der Dicke über die Nanoschicht. Größte Vorsicht walten lassen nur einzeln abgelegt und nicht aggregierter -Nanoschichten zu messen.
      6. Wiederholen 3.2.5.3-3.2.5.5 für alle Nanoschichten auf dem Bild.
      7. Wiederholen Sie 3.2.5.1-3.2.5.6 für alle Bilds aufgezeichnet. Zählen Sie mindestens 150 -Nanoschichten.
  3. Die Umwandlung von AFM Dicke zu Schichtnummer
    HINWEIS: Die scheinbare AFM Höhen von Flüssigkeit abgeblätterten Nanomaterialien sind in der Regel aufgrund der Anwesenheit von Restlösungsmittel überschätzt. Darüber hinaus sind genaue Höhenmessungen von inhomogenen Proben (wie Nanomaterialien auf Substraten abgeschieden) AFM unter Verwendung von allgemein herausfordernden aufgrund Beiträgen von Effekten wie Kapillarkräfte und Haftung, die auf dem Material und den Messparametern abhängen. 19,20 Um diese Probleme zu überwinden , und die scheinbare gemessenen AFM Dicke auf die Anzahl der Schichten, ein Verfahren genannt Stufenhöhe Analyse entwickelt umzuwandeln , wie im Folgenden beschrieben. 12,13,16,21. 3.3.1-3.3.4 Schritte können übersprungen werden, wenn die Stufenhöhe bekannt ist.
    1. Open, richtig und das AFM-Bild beschneiden, wie in 3.2 beschrieben, um eine Nanoschicht mit deutlich erkennbaren Terrassen auszuwählen.
    2. Messen Sie die Höhe über dieNanoschicht mit dem "extrahieren" Profilwerkzeug.
      HINWEIS: Geeignete Profile zeigen diskrete Schritte wie die in 2B Einsatz.
      1. Aufzeichnung der Höhe dieser Stufen ( das heißt der Höhenunterschied von einer Terrasse zu dem nächsten auf der Nanoschicht).
    3. Zählen mindestens 70 dieser Schritte.
    4. Zeichnen Sie die Stufenhöhe aufsteigend (Abbildung 2C).
      HINWEIS: Man beachte, daß für die scheinbare TMDs Stufenhöhe ist immer ein Vielfaches von ~ 1,9 nm.
    5. Teilen Sie die scheinbare AFM Dicke von 1,9 nm (gemessen, wie in Abschnitt 3.2 beschrieben), um die Schichtnummer erhalten.
      Hinweis: Andere Materialien andere Stufenhöhe Umrechnungsfaktoren haben eine andere Kalibrierung erforderlich ist.

4. Bestimmung von MoS 2 und WS 2 Größe und Dicke Basierend auf Extinction Spectra

  1. Spectra Erwerb
    1. Verdünnen Sie die hohe Konzentration Proben mit dem respective Medium (hier wässrige Natriumcholat, 2 g L -1) Auslöschungen unter 2 über den gesamten Spektralbereich zu erhalten.
    2. Stellen Sie die einzelnen Schritte für die spektrale Akquisition bis 0,5 nm in den Geräteeinstellungen oder verwenden Sie Scan-Geschwindigkeit langsam oder Medium.
    3. Wählen Sie die Einstellungen "subtrahieren Baseline" in den Geräteeinstellungen. Setzen Sie die Küvette die wässrige Natriumcholatlösung im Probenraum des Spektrometers und führen Sie die Messung enthält.
    4. Entfernen Sie die Küvette mit der Natriumcholatlösung aus dem Spektrometer und entleeren. Füllen Sie die Probe, legen Sie die Probe im Probenraum des Spektrometers und ein Scan der Probe laufen.
  2. Längenbestimmung von Intensitätsverhältnissen
    1. Option 1: Read-off die Intensität an der A-Exzitonen, Ext A (~ 660 nm für MoS 2 und 620 nm für die WS 2) und das lokale Minimum Ext min (345 nm für MoS 2 und 295 nm für die WS 2). Teilendie Intensität an der A-Exzitonen durch die Intensität auf dem lokalen Minimum das Intensitätsverhältnis Ext A / Ext min zu erhalten.
    2. Bestimmen Sie die mittlere Länge Nanoschicht, unter Verwendung der Gleichung 1.
      figure-protocol-1 (Gl. 1)
      wo Ext A / Ext min ist das Intensitätsverhältnis der Extinktion bei der A-Exzitonen (Ext A) und dem lokalen Minimum (Ext min).
      HINWEIS: Die Gleichung sowohl für MoS hält 2 und WS 2. Allerdings ist seine Genauigkeit begrenzt vor allem für kleine -Nanoschichten.
    3. Option 2: Bestimmen des Intensitätsverhältnisses des lokalen Maximums im UV - Bereich des Spektrums, Ext Max-HE (270 nm für MoS 2 und 235 nm für die WS 2) und dem lokalen Minimum, Ext min (345 nm für MoS 2 und 295 nm für WS 2)
    4. Bestimmen Sie die mittlere Länge Nanoschicht, durch Gleichung 2.
      Gleichung 2 (Gl. 2)
      Mit Ext max-HE bezeichnet die Intensität bei dem lokalen Maximum bei hoher Energie (270 nm für MoS 2 und 235 nm für WS 2) und Ext min die Extinktion Intensität bei dem lokalen Minimum (345 nm für MoS 2 und 295 nm für WS 2 ).
      HINWEIS: Option 2 gibt eine genauere Messung der seitlichen Größe. Jedoch kann die Hochenergiebereich kann nicht zugänglich in alle Lösungsmittel / Tensid.
  3. Konzentration
    1. Aufzeichnen der Extinktion Intensität bezogen auf 1 cm Weglänge bei 345 nm für MoS 2 und 235 nm für die WS 2.
      HINWEIS: Teilen Sie die aufgezeichneten Mess Auslöschung durch die Weglänge der Küvette.
    2. Teilen Sie diese Intensität durch die Extinktionskoeffizienten von 68 Lg -1 cm -1 bei 345 nm für MoS 2 und 47 Lg -1 cm -1 bei 235 nm für WS 2 die nanos zu erhaltenheet Konzentration in gL -1.
  4. Dickenbestimmung von A-Exziton Position
    1. Berechnen der zweiten Ableitung des Spektrums.
      1. Mit Hilfe der Datenanalyse und Grafik - Software (zB OriginPro), wählen Sie die Spalte , um die vom Aussterben Intensität enthält. Klicken Sie auf die "Analyse", wählen Sie "Mathematik" aus dem Drop-down-Menü und "differenzieren", "offenen Dialog". Ein neues Fenster öffnet sich. Stellen Sie die Ableitung um 2 und drücken Sie OK.
    2. Glätten Sie die zweite Ableitung von Angrenzend Averaging (~ 10-20 Punkte pro Fenster in A-Exziton-Region).
      1. Um zum Beispiel die Datenanalyse und Grafik-Software, zeichnen Sie die zweite Ableitung des Spektrums.
        1. Mit dem Grafikfenster aktiv ist, klicken Sie auf "Analyse" und wählen Sie "Signalverarbeitung", dann "glatt" und dann "offenen Dialog" aus dem Dropdown-Menü. Ein neues Fenster öffnet sich.
        2. Wählen4; Angrenzend Averaging "als Methode Glätten und legen Sie die Punkte auf 20.
        3. Zeichnen Sie die resultierenden geglätteten Spektrums, die als neue Spalten angezeigt wird. Wenn das Rauschen immer noch hoch ist, wiederholen Sie die Glättung.
          HINWEIS: In der Regel wird spektrale Glättung erforderlich, um den Lärm, es sei denn hohe Integrationszeiten während der Messung verwendet werden, zu reduzieren. Die geeignete Glättung ist ein wichtiger Teil der Datenanalyse und der entsprechende Glättungsverfahren hängt von dem gewünschten Ergebnis. Diese besondere Glättungsverfahren ist nur ideal, um die mittlere Spitzenposition zu bestimmen. 13
    3. Abgelesenen die Spitzenposition von der zweiten Ableitung. Dies ist die Wellenlänge des A-Exzitonen, λ A. Alternativ führen die in 4.4.4-4.4.7 beschriebenen Schritten.
    4. Wandeln die x-Achse von Wellenlänge Energie unter Verwendung der Beziehung:
      E (eV) = 4.135E-6 * 2.997E8 / λ (nm)
    5. Setzen Sie die zweite Ableitung der zweiten Ableitung eines Lorentzian.
      HINWEIS: Ein Lorentz kann geschrieben werden als
      figure-protocol-3 (Gl. 3)
      Wobei h die Höhe ist, E '0 ist die Mitte und w ist die FWHM. Differenziert zweimal in Bezug auf E gibt
      figure-protocol-4 (Gl. 4)
      1. In der Datenanalyse und Grafik-Software, wählen Sie "Werkzeuge" aus dem Hauptmenü und wählen Sie "Anpassungsfunktion Builder". Ein neues Fenster öffnet sich.
      2. Wählen Sie "erstellen Sie eine neue Funktion", klicken Sie auf Weiter.
      3. Lassen Sie die Standardeinstellungen, geben Sie der Funktion einen Namen und klicken Sie auf Weiter.
      4. Set "h, E, w" als Parameter, klicken Sie auf Weiter.
      5. Enter "(-8 * h / w ^ 2) * (1-3 * (2 * (Ex) / w) ^ 2) / (1+ (2 * (Ex) / w) ^ 2) ^ 3" als Funktionskörper auf Fertig stellen.
      6. Plot nur die A-Exziton-Bereich des zweiten Ableitungsspektrums auf der Energieskala.
      7. Mit demGrafikfenster aktiv ist, klicken Sie auf die "Analyse" aus. Wählen Sie "passende", "nicht-linearen Kurvenanpassung", "offenen Dialog" aus dem Dropdown-Menü. Ein neues Fenster öffnet sich.
      8. Wählen Sie "Benutzerdefiniert" in der Kategorie und wählen Sie die zuvor eingebaute Funktion in der Funktionsfeld. In der Registerkarte "Parameter" eingestellt Anfangswerte für w bis 0,1 und E bis 1,99 für WS 2 und 1,85 für MoS 2. Drücken Sie "fit"
    6. Notieren Sie sich die Energie E '0, was die Energie , mit der A-Exziton, E verbunden ist , ist' A.
    7. Bestimmen der Anzahl von Schichten gemäß den Gleichungen 5 (MoS 2) und 6 (WS 2).
      figure-protocol-5 (Eq. 5, MoS 2)
      figure-protocol-6 (Gl. 6, WS 2)
      mit λ A bezeichnet die Wellenlänge des A-exciton und E A bezeichnet , die Energie des A-Exzitonen.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

Flüssige Kaskade Zentrifugation (Abbildung 1) ist eine leistungsstarke Technik flüssig abgeblättert -Nanoschichten nach Größe und Dicke zu sortieren , wie in Abbildung 2 für beide MoS 2 dargestellt und WS 2. Nanoschichtseiten Größen und Dicken können durch statistische TEM und AFM bzw. charakterisiert werden. Ein typisches AFM - Bild ist in 2A gezeigt. Die scheinbare Dicke Nanoschicht wird Nummer mit Stufenhöhe Anal...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

Probenvorbereitung

Die Proben werden hier beschrieben durch die Spitze Beschallung hergestellt. Alternative Peeling Verfahren kann dazu verwendet werden, wird aber zu unterschiedlichen Konzentrationen, Seitengrößen und Grad der Peeling führen. Höhere Amplituden und mehr auf Impulse während der Beschallung sollte Beschädigung der Beschallungsvorrichtung zu verhindern, vermieden werden. Ähnliche Ergebnisse wurden unter Verwendung von 500 W Prozessoren erhalten. Beschallungszeit und Amplitude hat ...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

Die Forschung, die zu diesen Ergebnissen führt, wurde durch das Siebte Rahmenprogramm der Europäischen Union im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. 604391 Graphene Flagship gefördert. C.B. erkennt die Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG, unter der Förderung BA 4856/2-1 an.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Natriumcholathydrat aus Ochsen und/oder SchafsgalleSigma AldrichC1254-100GTensid als Stabilisator in Form einer wässrigen Lösung (d.h. , nach dem Auflösen des Pulvers in Millipore-Wasser)
MoS2 PulverSigma Aldrich69860-100GAndere Händler verfügbar, aber das Peeling und das Ergebnis der Größenauswahl können variieren
WS2, Pulver 2 μ mSigma Aldrich243639-50GAndere Distributoren verfügbar, aber das Peeling und das Ergebnis der Größenauswahl können variieren
ImageJ Softwareentwickler: National Insitutes of Health64-bit Java Version 2.45 1.6.0_24Bildverarbeitungssoftware für die TEM-Analyse, kostenloser Download
Gwyddion Softwareentwickler: Tschechisches Metrologieinstitut64-bit Java Version 2.45Bildverarbeitungssoftware für die AFM-Analyse, kostenloser Download
Origin Pro SoftwareOriginLabVersion 2016Software für die Datenanalyse wie Differenzierung und Anpassung der Extinktionsspektren
ZentrifugeHettichLabMikro 220Rjede andere Tischzentrifuge ist geeignet
Rotor 1HettichRotor 1016für die Zentrifugation < 5.000 x g
Rotor 2HettichRotor 1195-Afür Zentrifugation >5.000 x g

Referenzen

  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).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Schlagwörter

bergangsmetalldichalkogenideFl ssigexfoliationKontrolle der Nanosheet Gr eKaskadenzentrifugationRasterkraftmikroskopieoptische ExtinktionsspektrenAnalyse der SchichtanzahlSondenbeschallungstatistische MikroskopieD nnschichtpr paration
Herstellung von Flüssig-abgeblättert Transition Metalldichalkogenid -Nanoschichten mit kontrollierter Größe und Stärke: A State of the Art-Protokoll
Kontakt
Rückmeldung an Ihre Bibliothek

Datenschutz

Nutzungsbedingungen

Richtlinien

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle Rechte vorbehalten.