Mikroskopische Visualisierung von porösen Nanographenen, die durch eine Kombination aus Lösungs- und Oberflächenchemie synthetisiert werden

Die Kombination aus Lösungs- und Oberflächenchemie bringt neuartige kohlenstoffbasierte Materialien in unser Leben. Moderne bildgebende Verfahren wie die Rastertunnelmikroskopie oder die Rasterkraftmikroskopie bieten detaillierte Einblicke in die Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften neu entwickelter und synthetisierter Verbindungen bis hin zu einzelnen Atomen. Beginnen Sie mit dem Spülen des Goldmonokristalls, indem Sie ihn vollständig in den mit Aceton gefüllten Laborbecher tauchen und den Glasbecher mit Parafilm abdecken.

Reinigen Sie anschließend die Probe fünf Minuten lang im Ultraschallreiniger. Montieren Sie den Goldmonokristall auf dem Probenhalter und entlüften Sie die Lastschleuse. Übertragen Sie die Probe in das UHV-System, um sie mehrere Stunden lang auf über 100 Grad Celsius zu erhitzen.

Die Probe wird 15 Minuten lang bei 450 Grad Celsius mit der in der Vorbereitungskammer montierten Widerstandsheizung geglüht. Temperaturregelung mit dem Thermoelement Typ K.Nachdem Sie die Pistole mit Phosphor kalibriert haben, richten Sie die Probe aus und stellen Sie den Abstand zwischen der Pistole und der Probe auf 50 Millimeter ein. Beim Glühen wird die Probe mit Argon-Ionen bestäubt.

Vergessen Sie nicht, die Ionenpumpe und die Sublimationspumpe auszuschalten, bevor Sie das Gasventil öffnen. Das Probensputtern wird mit der Ionenkanone durchgeführt, die in einem Winkel von 45 Grad zur Probenoberfläche ausgerichtet ist, wobei der Gasdruck auf fünf x 10 Strahlen hoch minus sieben Millibar eingestellt ist. Überprüfen Sie nach Abschluss der Reinigungszyklen die Qualität der Gold 111-Probe mit STM.

Schieben Sie die Knudsen-Zelle zurück und schließen Sie das Ventil zwischen der Knudsen-Zelle und der Präparationskammer, bevor Sie die Knudsen-Zelle entlüften. Füllen Sie den entsprechenden Quarztiegel mit etwa einem Milligramm des Molekularpulvers und platzieren Sie den Tiegel ordnungsgemäß in der Knudsen-Zelle. Nachdem Sie die Knudsen-Zelle auf das Ventil in der Präparationskammer montiert haben, pumpen Sie sie mit der externen Vakuumpumpe nach unten.

Öffnen Sie das Ventil zwischen der Präparationskammer und der Knudsen-Zelle nicht, bis es nach unten gepumpt wird, um eine Kontamination der Präparationskammer zu vermeiden. Übertragen Sie die saubere Goldprobe aus der Mikroskopkammer in die Präparationskammer. Stellen Sie dann die Probe direkt auf die Knudsen-Zelle ein und stellen Sie den Abstand zwischen Probe und Verdampfer auf 50 bis 100 Millimeter ein.

Halten Sie die Probe von der Knudsen-Zelle abgewandt, um eine unkontrollierte Ablagerung des molekularen Materials zu vermeiden. Schalten Sie die Knudsen-Zelle ein und stellen Sie die zuvor mit einer Quarz-Mikrowaage kalibrierte Temperatur für die Molekülverdampfung ein. Legen Sie die Moleküle ab, indem Sie die Probe so drehen, dass sie der Knudsen-Zelle zugewandt ist, und halten Sie die Probe vier Minuten lang in dieser Position.

Drehen Sie dann die Probe so, dass sie von der Knudsen-Zelle weg zeigt, und schalten Sie die Knudsen-Zelle aus, um die Verdunstung zu stoppen. Glühen Sie die Probe mit Molekülen 15 Minuten lang bei 320 Grad Celsius und dann 15 Minuten lang bei 370 Grad Celsius. Messen Sie die Probe nach jedem Glühschritt mit LTSTM in Verbindung mit einem AFM, um das aktuelle Stadium des Experiments zu untersuchen und das Vorhandensein und die Art der erzeugten Objekte zu überprüfen.

Wenn die Verriegelung ausgeschaltet ist, nähern Sie sich der Probenoberfläche mit der STM-Spitze. Führen Sie zunächst den Kursansatz mit dem Laufwerk Z durch. Beobachten Sie während des Anflugs die STM-Spitze und ihr Spiegelbild mit einer Kamera.

Nähern Sie sich der Probe mit Hilfe der Mikroskopsoftware weiter in die Tunneldistanz. Ziehen Sie dann die Spitze zwei bis drei Schritte von der Oberfläche zurück. Aktivieren Sie die Bindung und legen Sie die Lock-in-Parameter wie Frequenz, Amplitude und Zeitkonstante fest.

Überwachen Sie das IT-Signal. Indem Sie die Phase des Lock-in-Verstärkers ändern, minimieren Sie das IT-Signal um Null. Annäherung an die Oberfläche.

Kalibrieren Sie dann das DIDV auf einer sauberen goldenen 111-Oberfläche, indem Sie nach der Position und Form des Shockley-Oberflächenzustands suchen. Legen Sie für das DIDV-Mapping den niedrigen Wert der Scangeschwindigkeit fest. Nachdem Sie die Probe im Mikroskop abgekühlt haben, öffnen Sie das Ventil für 1,5 Minuten und stellen Sie den Kohlenmonoxiddruck auf fünf x 10 hoch minus acht Millibar ein.

Überprüfen Sie die Probe unter STM. Wenn die Spitze metallisch ist, weisen die Kohlenmonoxidmoleküle auf der Goldoberfläche einen spezifischen Kontrast auf. Um ein einzelnes Molekül aufzunehmen, platzieren Sie die Spitze über dem Kohlenmonoxidmolekül und ziehen Sie die Spitze um mindestens 0,3 Nanometer zurück.

Erhöhen Sie die Spannung auf drei Volt, bevor Sie die Spitze wieder in die vordefinierte Position bringen. Die abrupte Änderung des I-Wertes deutet auf den Manipulationsprozess des Kohlenmonoxid-Tonabnehmers hin. Prüfen Sie, ob sich der STM-Kontrast des CO-Moleküls verändert hat.

Das Bild zeigt das typische Erscheinungsbild, das bei 0,5 Volt und 15 Pikoampere aufgezeichnet wurde. Wählen Sie nach der Durchführung des STM-Scans das getrennte Einzelmolekül für NC-AFM-Messungen aus. Finde eine richtige Z-Ebene, die parallel zur Molekülebene verläuft.

Ziehen Sie die Spitze um ca. 0,7 Nanometer von der Oberfläche zurück und schalten Sie die STM-Schleife aus. Das Mikroskop ist bereit, mit NC-AFM-Messungen zu beginnen. Der erste Schritt der Cyclo-Dehydrierung wird durch das Glühen molekularer Vorläufer bei 320 Grad Celsius erreicht, wodurch isolierte molekulare Propeller entstehen.

Die nicht-planare Konformation der Moleküle kann aus ihrem STM-Erscheinungsbild mit drei erkennbaren hellen Lappen abgeleitet werden. Die abschließende Cyclo-Dehydrierung ergibt Anilinporen und wird erreicht, wenn die Probe auf bis zu 370 Grad Celsius erhitzt wird, was zu einer molekularen Mischung mit einzelnen Einheiten führt, die eine, zwei oder drei eingebettete Poren enthalten. Die detaillierte strukturelle Charakterisierung erfolgt durch bindungsaufgelöste NC-AFM-Messungen, die das Vorhandensein des trigonalen porösen Nanographens anzeigen.

Der zentrale Phenylring befindet sich näher an der Goldoberfläche. Das Aussehen des Nanographens deutet darauf hin, dass die Struktur aufgrund der sterischen Wechselwirkungen zwischen Wasserstoffatomen in den Anilinporen eine nicht-planare Konformation annimmt. Das Single-Point-STS- und das räumliche STS-Mapping bieten einen beispiellosen Einblick in die Eigenschaften der nanoskaligen Objekte mit submolekularer Auflösung.

Die bei minus 1,06 Volt gemessene Resonanz könnte mit dem höchsten besetzten Molekülorbital in Verbindung gebracht werden, während die bei 1,61 Volt erfasste Resonanz vom kleinsten unbesetzten Molekülorbital dominiert wird. Die On-Surface-Synthese ebnet den Weg zu unseren niedrigdimensionalen anatomisch präzisen Systemen, wie nanometrischen Molekülen, Graphen-Anilin-Bindungen und neuen Kohlenstoffallotropen. Es inspiriert auch die Entwicklung von kohlenstoffbasiertem Magnetismus oder neuen funktionalen Geräten.