Préparation et caractérisation de Nanostructures hybrides de C₆₀/Graphene

L’objectif global de ce protocole est de contrôler la création de structures C60 1D et quasi-1D sur du graphène ondulé pour former des nanostructures hybrides C60/graphène en manipulant les conditions physiques d’évaporation thermique et de recuit. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans le domaine de l’auto-assemblage moléculaire sur la préparation de nanostructures moléculaires auto-assemblées sur des matériaux 2D. Le principal avantage de cette technique est qu’elle est polyvalente et facile à réaliser, ce qui nous permet de préparer des films minces organiques avec différentes structures en ajustant la température et le temps.

Pour commencer à assembler la cellule Knudsen, nettoyez les composants de la cellule et montez deux tiges de support en acier filetées de sept pouces de long dans des trous percés à travers une traverse d’alimentation en acier inoxydable à bride CF à quatre broches. Montez trois tiges de cuivre creuses de deux pouces de long et une tige de cuivre creuse de quatre pouces de long sur les goupilles de traversée. Fixez une traverse en céramique d’un centimètre d’épaisseur avec un trou en son centre à 2,5 pouces du haut des tiges de support à l’aide de fil de cuivre souple.

Ensuite, glissez un tube de verre de quartz dans un ressort en fil de tungstène avec des longueurs de fil de tungstène en haut et en bas. Insérez le bas du tube de verre dans le trou correspondant de la pièce en céramique. Fixez le tube de verre en place en fixant le haut entre les tiges de support avec un fil de cuivre souple.

Insérez le fil du bas du ressort dans la longue tige de cuivre creuse. À l’aide d’un cutter latéral, pincez le haut de la tige pour maintenir le fil en place. Insérez le fil du haut du ressort dans la tige de cuivre courte et creuse en couple avec la tige longue.

Pincez le haut de la tige autour du fil. Ensuite, obtenez une longueur de trois pouces de fil de thermocouple isolé de type K avec 0,5 pouce d’isolant retiré de chaque extrémité. Torsadez ensemble les fils exposés à une extrémité du thermocouple.

Calez fermement le fil torsadé entre le tube en verre de quartz et la pièce en céramique de manière à ce que le fil soit immobilisé contre le fond du tube. Insérez le fil nickel-chrome exposé dans l’une des tiges de cuivre creuses restantes et pincez le haut de la tige autour du fil. Insérez le fil nickel-aluminium exposé dans la dernière tige de cuivre creuse et pincez la tige autour du fil.

Enfin, installez un bouclier colonneur en cuivre creux sur l’ensemble pour qu’il repose fermement sur le passage d’alimentation. Transférez un graphène ondulé sur un substrat de feuille de cuivre du carrousel de stockage d’échantillons à la plaque de recuit dans la chambre de préparation sous ultravide d’un microscope à effet tunnel. Assurez-vous que la chambre a atteint une pression de base inférieure à quatre fois 10 à moins 10 millibars.

Augmentez la température du substrat à 400 degrés Celsius à environ 100 degrés Celsius par heure et recuit le substrat pendant 12 heures. Une fois que le recuit du graphène a commencé, chargez environ 50 milligrammes de poudre C60 à 99,5 % dans le tube de quartz de la cellule de Knudsen. Montez la cellule Knudsen dans la bride CF d’une branche du sas de charge du STM.

Pompez le sas de charge pendant 10 heures à l’aide d’une pompe mécanique et d’une pompe turbo en séquence. Pendant ce temps, une fois que le substrat de graphène a été recuit pendant 12 heures, commencez à refroidir le substrat à température ambiante à 100 degrés Celsius par heure. Une fois que le substrat de graphène a commencé à refroidir, vérifiez que la pression du verrou de charge est comprise entre 10 et moins huit millibars ou entre 10 et moins sept torrs.

Ensuite, connectez une alimentation aux broches de traversée d’alimentation connectées en haut et en bas du ressort en tungstène. Appliquez une tension à travers le fil de tungstène en réglant le courant de sorte que la source C60 soit chauffée à 250 degrés Celsius à 1,5 degré Celsius par minute. Recuire la source C60 à 250 degrés Celsius pendant deux heures.

Ensuite, chauffez la source à 300 degrés Celsius à environ un à deux degrés Celsius par minute, et recuit la source à cette température pendant 30 minutes. Ensuite, abaissez la température de la source à 270 degrés Celsius pour le dépôt. Une fois que la source C60 a atteint 270 degrés Celsius et que le substrat de graphène atomiquement propre a refroidi à température ambiante, déplacez la plaque de recuit avec substrat de graphène en position de transfert de verrou de charge.

Ouvrez la vanne entre la chambre de préparation et le sas de charge. Transférez le substrat de graphène dans le sas de charge et placez le substrat face vers le bas sur la cellule Knudsen. Laissez le C60 se déposer sur le substrat de graphène pendant une minute.

Ensuite, transférez l’échantillon C60/graphène dans la chambre de préparation UHV. Assurez-vous que la chambre de préparation UHV est inférieure à quatre fois 10 à moins 10 millibars. Chauffez l’échantillon C60/graphène à 150 degrés Celsius à 3,1 degrés Celsius par minute et recuits l’échantillon à cette température pendant deux heures.

Ensuite, transférez l’échantillon dans la chambre principale et scannez-le avec STM. Enfin, chauffez l’échantillon à 210 degrés Celsius à 3,1 degrés Celsius par minute, recuitssez l’échantillon à cette température pendant deux heures et acquérez un autre balayage STM. Une structure en chaîne C60 quasi 1D a été observée après le recuit de l’échantillon C60/graphène nouvellement déposé à 150 degrés Celsius.

La croissance de la structure en chaîne a été induite par la modulation périodique linéaire bien définie de la surface ondulée du graphène sous-jacente. Les molécules C60 formaient généralement des chaînes bimoléculaires ou trimoléculaires de manière hexagonale serrée, avec un espacement C60-C60 caractéristique de 0,87 nanomètre et un espacement C60-C60 moyen de 1,00 nanomètre au total. Un deuxième recuit à 210 degrés Celsius a permis d’augmenter la mobilité de surface des molécules C60, permettant l’auto-assemblage en une structure de bandes quasi 1D hexagonale plus compacte et serrée orientée dans la même direction que les chaînes.

Des largeurs de trois à huit molécules par bande ont été observées, six étant les plus courantes. Les bandes se formaient comme des terrasses étroites et décalées, sans espace entre les bandes. L’espacement latéral entre les rangs aux limites entre les terrasses était de 0,75 nanomètre, tandis que les molécules à l’intérieur des plans des terrasses conservaient l’espacement caractéristique C60-C60 de 0,87 nanomètre.

La modélisation 3D des structures de la chaîne et des rayures a révélé que les bandes à six rangées avaient presque la même périodicité latérale qu’une unité de la structure de la chaîne, qui était définie comme une cellule bimoléculaire et une cellule trimoléculaire plus un espacement interchaîne. Nous avons eu l’idée de cette méthode pour la première fois lorsque nous essayions de déposer du C60 sur un substrat graphène-cuivre. Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en 24 heures si elle est exécutée correctement.

Lorsque vous tentez cette procédure, n’oubliez pas d’étalonner avec précision le thermocouple pour vous assurer d’atteindre la température de dépôt de la source moléculaire précise. Suite à cette procédure, d’autres méthodes telles que la spectroscopie à effet tunnel peuvent être effectuées pour répondre à des questions supplémentaires sur les propriétés électroniques des nanostructures moléculaires. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs sur les propriétés électroniques des molécules semi-conductrices pour explorer le guidage des adsorbats dans différentes configurations sans manipulation manuelle.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de préparer des films minces organiques par dépôt thermique physique.