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Article de méthode

Préparation et caractérisation de Nanostructures hybrides de C60/Graphene

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DOI :

10.3791/57257

⸱

15 mai 2018

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1Department of Physics, Center for Soft Matter and Biological Physics, Virginia Tech, 2Department of Physics, Princeton University

Dans cet article

Résumé

Nous présentons ici un protocole pour la fabrication de nanostructures de hybrid C60/graphene par évaporation thermique physique. En particulier, la manipulation correcte des dépôts et de recuit conditions permettent le contrôle sur la création de 1D et quasi 1 C60 structures sur le graphène ridée.

Résumé

Physique dépôt thermique dans un environnement hautement sous vide est une méthode propre et contrôlable de fabrication de nanostructures moléculaires de roman sur le graphène. Nous présentons des méthodes pour déposer et passivement manipuler C60 molécules sur le graphène ridée qui favorisent la poursuite de realisation applications impliquant des structures hybrides 1 D C60/graphene. Les techniques appliquées dans cette exposition sont orientées vers des systèmes de vide élevés avec zones de préparation capables de supporter des dépôts moléculaire mais aussi recuit des échantillons. Nous nous concentrons sur des dépôts de60 C à basse pression utilisant une cellule de Knudsen maison connectée à un système de microscopie (STM) tunneling balayage. Le nombre de molécules déposés est réglementé en contrôlant la température de la cellule de Knudsen et le temps de dépôt. Unidimensionnelle (1D) C60 chaîne des structures dont la largeur varie de deux à trois molécules peuvent être préparés par réglage des conditions expérimentales. La mobilité de surface des molécules60 C augmente avec la température de recuit leur permettant de se déplacer dans le potentiel périodique le graphène ridée. À l’aide de ce mécanisme, il est possible de contrôler la transition de 1 D C60 structures de chaîne à une structure de bande hexagonale étroite emballé quasi - 1D.

Introduction

Ce protocole explique comment déposer et de manipuler des molécules60 C sur le graphène tels que 1D et structures de chaîne quasi - 1D C60 peuvent être réalisées. Les techniques dans cette expérience ont été développés pour répondre aux besoins pour guider les adsorbats dans des configurations souhaitables sans avoir à compter sur la manipulation manuelle, qui est lente et peut nécessiter beaucoup d’efforts. Les procédures décrites ici s’appuient sur l’utilisation d’un système d’aspiration élevée avec une aire de préparation d’échantillon capable de supporter le dépôt moléculaire et recuit des échantillons. STM est utilisé pour caractériser les échantillons, mais les autres techniques de résolution moléculaire peuvent être appliquées.

L’évaporation thermique des molécules au sein d’une cellule de Knudsen est un moyen efficace et propre à préparer les films minces. Dans ce protocole, une cellule de Knudsen est utilisée pour évaporer les molécules60 C sur un substrat de graphène. Cet évaporateur de cellule de Knudsen se compose principalement d’un tube de quartz, un filament de chauffage, fils de thermocouple et traversées1,2,3. Le tube de quartz est utilisé pour accueillir les molécules, les chaleurs de filament de tungstène des molécules présentes dans le quartz tube par appliquent courant et les fils de thermocouple sont utilisés pour mesurer la température. Dans les expériences, le taux de dépôt est contrôlé par le réglage de la source de la température dans la cellule de Knudsen. Les fils de thermocouple sont attachés à la paroi extérieure du tube quartz et par conséquent mesurent généralement une température de la paroi extérieure qui est légèrement différente de la température à l’intérieur de la cellule où se trouve la source moléculaire. Pour obtenir la température exacte dans le tube de quartz, nous avons effectué étalonnage à l’aide de deux configurations de thermocouple pour mesurer les températures à l’intérieur et à l’extérieur du tube et enregistré la différence de température. De cette façon, nous pouvons contrôler plus précisément la température de la source au cours des expériences d’évaporation moléculaires à l’aide de fils de thermocouple attachées à l’extérieur du tube de quartz. Car une petite quantité des molécules sublimées sera en une phase gazeuse à une pression inférieure, lorsque les molécules sont évaporés, il y a habituellement un changement de pression. Donc, nous surveillons attentivement le changement de la pression dans la serrure de charge.

Cette évaporation peut être utilisée pour déposer des diverses sources de molécule comme C60, C70, chlorure de bore SUBPHTALOCYANINE Ga, Al et Hg4,5,6,7,8. Par rapport aux autres techniques de préparation des couches minces, par exemple, spin casting9,10,11, l’évaporation thermique sous vide élevé est beaucoup plus propre et plus polyvalent puisqu’il n’y a pas de solvant nécessaire pour les dépôts. En outre, le processus de dégazage avant la déposition améliore la pureté de la source, éliminer les éventuelles impuretés.

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Protocole

1. préparation de la cellule de la maison de Knudsen

  1. Préparer les composants pour cellule de Knudsen
    1. Achat un CF à brides base traversée de puissance (2.75" CF, 4 broches en acier inoxydable). Percer deux trous taraudés par le biais de la traversée, aux points de croisement entre un diamètre 1,30" ligne et sa circonférence.
    2. Préparer un tube de verre (0,315" diamètre (OD), longueur 2.50" extérieur).
    3. Acheter des feuilles de cuivre minces (99,9 %) avec 0,005" épaisseur. Couper une feuille aux dimensions de 7.5" L x 5.0" W, à l’aide d’une paire de ciseaux, puis curl à un creux columniform bouclier avec un diamètre de 1,45" à la main (Figure 1 a).
    4. Préparer le thermocouple de type K (chromel/alumel) avec un diamètre de 0,005" en coupant un 3" pour les fils chromel tant alumel. Peler les couches d’isolant environ 0.5" de longueur des deux extrémités de deux fils.
    5. Couper un 0.01" diamètre tungstène fil (99.95 %) d’une longueur d’environ 60". Enrouler en forme de ressort avec un diamètre 0,315" en l’enveloppant étroitement autour d’une tige de diamètre comparable le tube en verre.
    6. Acheter une pièce en céramique. Préparer une pièce cuboïde adaptée avec un trou au milieu qui correspond à la dimension du verre (5 dans la Figure 1 b).
    7. Couper 2 standard en acier fileté 0,10" tiges de diamètre sur une longueur de 7" de baguage et de sciage avec une machine de tour.
    8. Couper le fil de cuivre de diamètre 0.01" mou, d’une longueur approximative de 30" à l’aide de ciseaux.
    9. Préparer 4 tiges de cuivre creux avec un diamètre de 0,094" OD en coupant trois tiges à une longueur de 2" et une tige d’une longueur de 4" à l’aide d’une pince coupante.
  2. Assembler ces pièces de la cellule de Knudsen
    1. Nettoyer tous les éléments mentionnés à l’étape 1.1 par ultrasons, nettoyage de 42 kHz dans l’acétone pendant 30 min.
    2. Monter les 2 tiges de filetées acier standards dans les trous percés dans la bride CF de la traversée de la puissance.
      Remarque : Les trous sont filetés (7 dans la Figure 1 b).
    3. Monter le fond la moitié des 4 tiges cuivre creux dans la partie supérieure des 4 broches de la traversée de puissance CF bridé en insérant le code pin dans les tiges de cuivre creux et leur fixation par une pince coupante (6 dans la Figure 1 b).
    4. Monter la pièce en céramique à la position de 2.5" par le bas les tiges filetées avec fil de cuivre doux.
      NOTE : Cette pièce soutiendra le tube en verre dans l’étape suivante (5 dans la Figure 1 b).
    5. Glisser le tube de verre dans le ressort de tungstène recourbé. Presser la partie inférieure du tube de verre dans le trou de la pièce en céramique. Fil de cuivre mou permet de tenir l’extrémité supérieure du tube de verre à l’extrémité supérieure des tiges filetées (3 et 4 dans la Figure 1 b).
    6. Saisir l’extrémité supérieure du ressort dans la plus longue tige de cuivre, défini comme A. saisir l’extrémité inférieure du ressort dans l’une les plus courtes des tiges de cuivre, définis comme B (A et B dans la Figure 1 b).
    7. Tordre une extrémité Pelée du chromel tant alumel fils ensemble (2 dans la Figure 1 b).
    8. Positionner l’extrémité commune torsadée afin qu’il touche étroitement le fond extérieur du tube de verre. Immobiliser à l’aide de la pièce en céramique.
    9. Poignée de l’autre extrémité Pelée du chromel fil en un seul les gauche 2 plus courtes des tiges de cuivre, définis comme le Grip C. lʼautre Pelée du fil alumel dans la tige de cuivre plus courte gauche, définie comme D (C et D de la Figure 1 b).
    10. Mettre le bouclier columniform creux cuivre enroulée sur la traversée de puissance CF bridé (Figure 1 a).

2. préparer la Source en60 C dans la cellule de la maison de Knudsen

  1. Charger la source de60 C dans la cellule de Knudsen fait maison.
    1. Charger environ 50 mg de poudre de60 C (pureté de 99,5 %) dans le tube de verre de la cellule de Knudsen fait maison.
      NOTE : Précision au-delà de 1 mg de la masse de la poudre n’est pas nécessaire.
    2. Monter la cellule de Knudsen sur une branche de l’écluse de charge.
  2. Le verrou de la charge de la pompe.
    1. Tourner sur la pompe pour le verrouillage de la charge. Tout d’abord mettre en marche le robinet d’eau pour le refroidissement de la pompe turbo, puis allumez le ventilateur pour refroidir la pompe mécanique. Puis mettez la pompe mécanique et enfin Allumez la pompe turbo.
    2. Vérifiez la pression dans la serrure de charge et attendre environ 10 h.
      Remarque : La pression à la sortie de la pompe turbo devrait être 6,0 x 10-2 mbar.
    3. Tourner sur la jauge d’ion montée dans la serrure de charge à une pression plus faible (généralement en dessous de 10-6 mbar).
    4. Vérifiez la pression dans la serrure de charge : la pression doit être de l’ordre de 10-8 mbar après 10 h de pompage.
  3. Recuire la source de60 C dans la cellule de Knudsen fait maison.
    1. Recuire la source de60 C dans la cellule de Knudsen maison progressivement (1,5 ° C/min) à 250 ° C pendant 2 h pour le dégazage en connectant un pouvoir fournir sur deux broches de la traversée de puissance CF à brides, qui sont connectés au printemps tungstène recourbé.
    2. Augmenter la température de recuit à 300 ° C, ce qui est au-dessus de la température de dépôts (270 ° C).
    3. Recuire à 300 ° C pendant 0,5 h pour davantage de dégazage.
    4. Diminuer la température de 270 ° C pour les dépôts.

3. préparer le graphène atomiquement propre dans la chambre UHV

  1. Transférer le graphène (sur feuille de cuivre) du carrousel de stockage d’échantillons à la plaque de recuit dans la chambre de préparation sous vide ultra-haut du système STM (une place spéciale pour la préparation et de recuit un échantillon sous ultravide).
  2. Recuire le substrat de graphène à une pression de base faible 10-10 mbar dans la chambre de préparation en augmentant graduellement la température jusqu'à 400 ° C.
  3. Attendre 12 h enlever les impuretés résiduelles sur la surface du graphène.
  4. Diminuer la température de recuit pour substrat de graphène progressivement à température ambiante.

4. Déposez la C 60 sur substrat de graphène à l’aide de la cellule de maison Knudsen dans la serrure de charge

  1. Transférer le substrat de graphène à l’écluse de charge.
    1. Disposez la plaque dans la chambre de préparation en position de transfert. Transférer le graphène atomiquement propre à la serrure de charge pour dépôt C60, après avoir eu le graphène atomiquement propre et C60 source prête.
    2. Ouvrez la valve entre l’écluse de charge et de la chambre de préparation.
    3. Transférer le substrat de graphène de la plaque dans la chambre de préparation à la serrure de charge avec l’outil de chargement.
    4. Mettre le visage de substrat de graphène en bas (la C60 provient de la source ci-dessous).
  2. Déposer la C60 sur le substrat du graphène.
    Remarque : C60 molécules transférer de la cellule de Knudsen maison au substrat graphène à 270 ° C.
    1. Attendre 1 min avec un taux de dépôt de 0,9 monocouche/min.
    2. Transférer l’échantillon de /graphene C60à la chambre de préparation.

5. Préparez la C 60 /Graphene échantillon à mesurer dans la chambre principale de STM

  1. Recuire l’échantillon de /graphene60C à 150 ° C avec un taux de 3,1 ° C/min pendant 2 h dans la salle de préparation sous vide ultra-haut.
  2. Analyse de l’échantillon C60/graphene STM dans la chambre principale de la STM.
  3. Recuire l’échantillon de /graphene C60à 210 ° C avec un taux de 3,1 ° C/min pendant 2 h.
  4. Analyse de l’échantillon C60/graphene STM.

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Résultats

Après évaporation, le graphène avec le nouveau dépôt C60 est recuit à 150 ° C pendant 2 h. L’image STM à grande échelle dans la Figure 2 a montre une structure en chaîne caractéristique quasi - 1 D C60 trouvée après ce processus initial de recuit. Un examen plus attentif dans la Figure 2 b révèle des informations détaillées de cette structure 1D, dans lequel chaque protubérance sphérique lumineux représente ...

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Discussion

Les techniques décrites dans le présent protocole sont conçus pour dépôt thermique de matières organiques et d’autres matériaux de haute pression de vapeur. Ces techniques peuvent être intégrés avec des systèmes sous vide ultra-haute qui ont des zones de préparation d’échantillon capables de supporter l’évaporation moléculaire mais aussi recuit. Le but de cette expérience spécifique est le dépôt C60 molécules sur substrat de graphène et étude de l’auto-assemblage de C60 et l’effet thermique.

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Déclarations de divulgation

Nous n’avons rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail est soutenu par l’Office de recherche américain armée au titre de la subvention W911NF-15-1-0414.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
CF Traversée électrique à brideKurt J. LeskerEFT0042033
Feuilles de cuivreAlfa Aesar7440-50-8
Thermocouple fils chromel/alumelOmega EngineeringST032034/ST080042
Fils de tungstèneAlfa Aesar7440-33-7
Tiges en acier inoxydableMcMaster-Carr95412A868
Fils de cuivreMcMaster-Carr8873K28
Tiges de cuivre creusesMcMaster-Carr7190K52
C60MER CorporationMR6LP

Références

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  2. de Barros, A. L. F., et al. A simple experimental arrangement for measuring the vapour pressures and sublimation enthalpies by the Knudsen effusion method: Application to DNA and RNA bases. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. 560, (2006).
  3. Shukla, A. K., et al. Versatile UHV compatible Knudsen type effusion cell. Review of Scientific Instruments. 75, 4467(2004).
  4. Cho, J., et al. Structural and Electronic Decoupling of C60 from Epitaxial Graphene on SiC. Nano Letters. 12, 3018(2012).
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  10. Bezmel'nitsyn, V. N., Eletskii, A. V., Okun', M. V. Fullerenes in solutions. Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 168, 1195(1998).
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  12. Chen, C. H., Zheng, H. S., Mills, A., Heflin, J. R., Tao, C. G. Temperature Evolution of Quasi-one-dimensional C60 Nanostructures on Rippled Graphene. Scientific Reports. 5, 14336(2015).

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