Visualisation microscopique de nanographènes poreux synthétisés par une combinaison de chimie en solution et de chimie de surface

La combinaison de la synthèse assistée par solution et par surface ouvre de nouvelles directions dans la synthèse atomiquement précise de nanostructures. La microscopie à effet tunnel (STM) complétée par la microscopie à force atomique sans contact (nc-AFM) permet une caractérisation détaillée de nano-objets à base de carbone nouvellement conçus et générés.

La combinaison de la solution et de la chimie de surface apporte de nouveaux matériaux à base de carbone dans nos vies. Les techniques d’imagerie modernes telles que la microscopie à effet tunnel ou la microscopie à force atomique fournissent un aperçu détaillé de la structure, de la composition et des propriétés des composés nouvellement conçus et synthétisés jusqu’à l’atome unique. Commencez par rincer le monocristal d’or en l’immergeant complètement dans le bécher de laboratoire rempli d’acétone et recouvrez le bécher en verre de Parafilm.

Ensuite, nettoyez l’échantillon dans l’autolaveuse à ultrasons pendant cinq minutes. Montez le monocristal d’or sur le porte-échantillon et ventilez le verrou de charge. Transférez l’échantillon dans le système UHV pour le chauffer à plus de 100 degrés Celsius pendant plusieurs heures.

Recuire l’échantillon à 450 degrés Celsius à l’aide du chauffage résistant monté dans la chambre de préparation pendant 15 minutes. Contrôle de la température avec le thermocouple de type K.Après avoir calibré le pistolet au phosphore, orientez l’échantillon et ajustez la distance entre le pistolet et l’échantillon à 50 millimètres près. Pendant le recuit, vaporisez l’échantillon avec des ions argon.

N’oubliez pas d’éteindre la pompe ionique et la pompe de sublimation avant d’ouvrir la vanne de gaz. Effectuez la pulvérisation de l’échantillon à l’aide du pistolet à ions orienté à un angle de 45 degrés par rapport à la surface de l’échantillon avec la pression du gaz réglée à cinq rayons sur 10 à la puissance moins sept millibars. Après avoir terminé les cycles de nettoyage, vérifiez la qualité de l’échantillon d’or 111 avec STM.

Reculez la cellule Knudsen et fermez la vanne entre la cellule Knudsen et la chambre de préparation avant de ventiler la cellule Knudsen. Remplissez le creuset en quartz dédié avec environ un milligramme de poudre moléculaire et placez correctement le creuset à l’intérieur de la cellule de Knudsen. Après avoir monté la cellule Knudsen sur la vanne de la chambre de préparation, pompez-la avec la pompe à vide externe.

N’ouvrez pas la vanne entre la chambre de préparation et la cellule Knudsen tant qu’elle n’est pas pompée pour éviter la contamination de la chambre de préparation. Transférez l’échantillon d’or propre de la chambre du microscope dans la chambre de préparation. Ensuite, placez l’échantillon directement dans l’alignement de la cellule de Knudsen et ajustez la distance entre l’échantillon et l’évaporateur pour qu’elle soit de 50 à 100 millimètres près.

Gardez l’échantillon tourné à l’opposé de la cellule de Knudsen pour éviter le dépôt incontrôlé de matériau moléculaire. Allumez la cellule Knudsen et réglez la température calibrée au préalable avec une microbalance à quartz pour l’évaporation des molécules. Déposez les molécules en faisant pivoter l’échantillon pour qu’il fasse face à la cellule de Knudsen, et maintenez l’échantillon dans cette position pendant quatre minutes.

Ensuite, tournez l’échantillon pour qu’il soit tourné vers l’opposé de la cellule Knudsen et éteignez la cellule Knudsen pour arrêter l’évaporation. Recuit l’échantillon avec des molécules à 320 degrés Celsius pendant 15 minutes, puis à 370 degrés Celsius pendant 15 minutes. Après chaque étape de recuit, mesurez l’échantillon par LTSTM couplé à l’AFM pour étudier l’étape actuelle de l’expérience et vérifier la présence et le type d’objets générés.

Lorsque le verrouillage est désactivé, approchez-vous de la surface de l’échantillon avec la pointe STM. Tout d’abord, effectuez l’approche du parcours à l’aide du lecteur Z. Pendant l’approche, observez l’extrémité de la STM et son image miroir à l’aide d’une caméra.

Approchez davantage l’échantillon dans la distance de tunnel à l’aide du logiciel du microscope. Rétractez ensuite la pointe à deux ou trois pas de la surface. Activez le verrouillage et définissez les paramètres de verrouillage tels que la fréquence, l’amplitude et la constante de temps.

Surveillez le signal IT. En changeant la phase de l’amplificateur de verrouillage, minimisez le signal IT autour de zéro. Approche de la surface.

Calibrez ensuite le DIDV sur une surface d’or 111 propre en recherchant la position et la forme de l’état de surface de Shockley. Pour le mappage DIDV, réglez la valeur basse de la vitesse de balayage. Après avoir refroidi l’échantillon au microscope, ouvrez la valve pendant 1,5 minute et réglez la pression de monoxyde de carbone à cinq par 10 jusqu’à la puissance moins huit millibars.

Vérifiez l’exemple sous STM. Lorsque la pointe est métallique, les molécules de monoxyde de carbone à la surface de l’or présentent un contraste spécifique. Pour prélever une seule molécule, placez l’embout au-dessus de la molécule de monoxyde de carbone et rétractez l’embout d’au moins 0,3 nanomètre.

Augmentez la tension à trois volts avant de remettre la pointe dans la position prédéfinie. Le changement brusque de la valeur I indique le processus de manipulation de la collecte du monoxyde de carbone. Vérifiez si le contraste STM de la molécule de CO a changé.

L’image montre l’aspect typique enregistré à 0,5 volts et 15 picoampères. Après avoir effectué le balayage STM, choisissez la molécule unique séparée pour les mesures NC-AFM. Trouvez un plan Z approprié parallèle au plan de la molécule.

Rétractez la pointe de la surface d’environ 0,7 nanomètre et désactivez la boucle STM. Le microscope est prêt à commencer les mesures NC-AFM. La première étape de la cyclo-déshydrogénation est réalisée en recuit des précurseurs moléculaires à 320 degrés Celsius, ce qui permet d’obtenir des hélices moléculaires isolées.

La conformation non plane des molécules peut être déduite de leur apparence STM avec trois lobes brillants discernables. La cyclo-déshydrogénation finale produit des pores d’aniline et est obtenue lorsque l’échantillon est chauffé jusqu’à 370 degrés Celsius, ce qui donne un mélange moléculaire avec des entités uniques contenant un, deux ou trois pores intégrés. La caractérisation structurale détaillée est obtenue par des mesures NC-AFM résolues par liaison, qui montrent la présence du nanographène poreux trigonal.

L’anneau central en phényle est situé plus près de la surface de l’or. L’apparence du nanographène suggère que la structure adopte une conformation non plane, en raison des interactions stériques entre les atomes d’hydrogène à l’intérieur des pores de l’aniline. La cartographie STS en un seul point et la cartographie spatiale STS fournissent des informations sans précédent sur les propriétés des objets à l’échelle nanométrique avec une résolution submoléculaire.

La résonance enregistrée à moins 1,06 volt pourrait être liée à l’orbitale moléculaire occupée la plus élevée, tandis que celle acquise à 1,61 volt est dominée par l’orbitale moléculaire inoccupée la plus basse. La synthèse en surface ouvre la voie à nos systèmes anatomiquement précis de faible dimension, tels que les molécules nanométriques, les liaisons graphène-aniline et les nouveaux allotropes de carbone. Il inspire également le développement du magnétisme à base de carbone ou de nouveaux dispositifs fonctionnels.