הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

הכנת Nanosheets Dichalcogenide מתכות מעבר נוזלי-מודבק עם גודל מבוקרת עובי: מדינה לפרוטוקול אמנות

13.5K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/54806

⸱

20 בדצמבר 2016

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

במאמר זה

סיכום

פרוטוקול עבור הקילוף הנוזלי של חומרים שכבתיים nanosheets, מבחר גודלם מדידת גודל על ידי טכניקות מיקרוסקופיות ספקטרוסקופיות מוצג.

תקציר

אנו מסכמים את ההתקדמות האחרונה בייצור ננו-יריעות מתכת מעבר דיכלקוגניד (TMD) עם גודל ועובי מבוקרים. גבישים שכבתיים של מוליבדן דיסולפיד (MoS2) וטונגסטן דיסולפיד (WS2) מתקלפים בתמיסת פעילי שטח מימית על ידי סוניקציה. זה מניב תערובות פולידיספיז מאוד המכילות ננו-יריעות עם התפלגות גודל ועובי רחבה. עם זאת, עבור רוב המטרות, נדרשים גדלים ספציפיים (הן מבחינת הממד הרוחבי והן מבחינת העובי). לדוגמה, ננו-יריעות גדולות ודקות רצויות עבור יישומים אלקטרוניים (אופטו), בעוד שננו-יריעות קטנות לרוחב מעניינות עבור יישומים קטליטיים. לכן, בחירת הגודל לאחר הפילינג היא צעד חשוב שאנו מתייחסים אליו כאן. אנו מספקים פרוטוקול מפורט על בחירת גודל יעילה בכמויות גדולות על ידי צנטריפוגה של מפל נוזלי וכימות גודל ועובי על ידי ניתוח מיקרוסקופי סטטיסטי (מיקרוסקופ כוח אטומי ומיקרוסקופ אלקטרונים הולכה). ההשוואה בין MoS2 ו-WS2 מראה ששני החומרים נבחרים בגודל דומה באותו נוהל. חשוב לציין, הפיזור של ננו-יריעות שנבחרו בגודל מראה שינויים שיטתיים בספקטרום ההכחדה האופטית שלהם עם הגודל עקב השפעות קצה וכליאה. אנו מראים כיצד שינויים אופטיים אלה קשורים כמותית לממדי הננו-יריעות ומתארים כיצד ניתן לחלץ באופן אמין את אורך הננו-יריעות הממוצע ומספר השכבה מספקטרום ההכחדה. ניתן ליישם את פרוטוקול הפילינג ובחירת הגודל על מגוון רחב של גבישים שכבתיים כפי שהדגמנו בעבר עבור גרפן, גליום סולפיד (GaS) וזרחן שחור.

מבוא

האפשרות לייצר תהליך גרפן, הקשורים דו מימדי (2D) גבישים בשלב נוזל שהופך אותם מבטיח חומרים עבור מגוון הולך וגדל של יישומים כמו חומרים מרוכבים, חיישנים, אחסון אנרגיה והמרת וגמישה אלקטרוניקה (אופטו). 1-6 כדי לנצל ננו 2D בתוך יישומים כגון אלה ידרשו דיו תפקודי זול ואמין עם גודל לרוחב לפי דרישה ועובי המרכיבים ננו, כמו גם מאפיינים rheological וצורניים נשלטו מקובל תהליכי הדפסה בקנה מידה תעשייתית / ציפוי. 7 בהקשר זה, קילוף שלב נוזלי הפך טכניקת ייצור חשובה לתת גישה אל שורה של ננו כולו בכמויות גדולות. שיטת 6,8,9 עניינן sonication או מריחה של גבישים שכבתיים בנוזלים. אם הנוזל נבחר כראוי (כלומר, ממסים מתאימים או פעיל שטח) את nanosheets יהיה היםtabilized נגד reaggregation. יישומים רבים והתקנים הוכחה של עיקרון הודגמו על ידי טכניקות כאלה. 6 כנראה הכח הגדול ביותר של אסטרטגיה זו הוא צדדי שלה, כמו גבישי הורה שכבתיים רבים ניתן מודבקים ומעובדים באופן דומה, הבטיחו גישת צבעים רחבים של חומרים אשר ניתן להתאים את היישום הרצוי.

עם זאת, למרות ההתקדמות אחרונה זה, polydispersity כתוצאת מתעוררת בשל שיטות ייצור נוזל פאזיים אלה (מבחינת nanosheet אורך ועובי) עדיין מציג צוואר בקבוק במימוש התקנים בעלי ביצועים גבוהים. זה בעיקר בגלל התפתחות טכניקות בחירת גודל רומן והחדשניות עד כה נדרשה אורך nanosheets ואפיון עובי באמצעות מיקרוסקופ סטטיסטי מייגע (במיקרוסקופ כוח אטומי, AFM ו / או במיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים, TEM).

למרות האתגרים הללו, seveטכניקות צנטריפוגה RAL דווחו להשיג אורך ומיון עובי. 6,10-13 התרחיש הפשוט ביותר הוא צנטריפוגה הומוגניים, בהם פיזור centrifuged ב האצה צנטריפוגלי נתון ואת supernatant יצק לניתוח. מהירות צנטריפוגה מקובעת את הגודל חתוכה, לפיה ככל שהמהירות הקטנה הוא nanosheets ב supernatant. עם זאת, הטכניקה הזו סובלת שני חסרונות עיקריים; ראשית, כאשר nanosheets הגדול יותר להיבחר (כלומר, הפיזור הוא centrifuged במהירויות נמוכות ואת supernatant יצק) כל nanosheets הקטן גם יישאר במדגם. שנית, ללא קשר למהירות צנטריפוגה, חלק ניכר של החומר נוטה להיות מבוזבז במשקעים.

אסטרטגיה חלופית לבחירת גודל היא שיפוע צפיפות (או isopycnic) צנטריפוגה. 11,14 במקרה זה, פיזור מוזרק לתוך שיתוף צינור צנטריפוגותntaining מדיום שיפוע צפיפות. במהלך ultracentrifugation (בדרך כלל> 200,000 XG), שיפוע צפיפות נוצר ואת nanosheets לעבור לנקודה בצנטריפוגה שבו הצפיפות הקלילה שלהם (צפיפות כולל המייצב ופצצת ממס) תואמת את הצפיפות של השיפוע. ראוי לציין, כי nanomaterial יכול גם לנוע כלפי מעלה במהלך תהליך זה (תלוי איפה זה היה מוזרק). בצורה כזאת, את nanosheets מסודרים באופן יעיל על ידי עובי ולא המוני (בניגוד צנטריפוגה הומוגנית). בעוד הליך זה מציע הזדמנות ייחודית כדי למיין nanosheets ידי עובי, הוא סובל חסרונות בולטים. לדוגמא, התשואות נמוכות מאוד וכיום אינו מאפשרות הייצור ההמוני של nanosheets המופרד. זה קשור חלקית לתכנים נמוכים של monolayers ב תפוצות מניות לאחר-פילינג הנוזלי ניתן לשפר באופן פוטנציאלי על ידי אופטימיזציה של נהלי שרה בעתיד. בנוסף, הוא בדרך כלל צעד-רב גוזלים זמןתהליך ultracentrifugation המעורב חזרות מרובות כדי להשיג בחירת גודל יעילה. יתר על כן, במקרה של ננו האורגני, זה מוגבל תפוצות מיוצב פולימר להשיג צפיפויות הקלילות הנדרשים מדיום השיפוע בפיזור עלול להפריע לעיבוד נוסף.

הראינו לאחרונה כי הליך אנו צנטריפוגה מפל נוזל טווח (LCC) מציע אלטרנטיבה מרגש, 13 כאוות נפשנו גם בפירוט כתב היד הזה. זהו הליך רב שלבים אשר מאפשר מפלים שונים מאוד תכליתי צריך להיות מתוכננות על פי התוצאה הרצויה. כדי להמחיש את התהליך הזה, מפל סטנדרטי מצטייר באיור 1 וכרוך צעדי צנטריפוגה מרובים לפיה כל תכונות במהירות גבוהה יותר מקודמו. לאחר כל שלב, המשקע נשמרת ואת supernatant לאחר מכן נעשה שימוש בשלב ההליך. כתוצאה מכך, כל משקע מכיל nanosheets ב נתוןטווח גודל אשר היו "לכודים" בין שני centrifugations עם מהירויות שונות; האחד הנמוך הסרת nanosheets גדול לתוך המשקע הקודם ואילו המהירות הגבוהה יותר מסירה את nanosheets הקטן לתוך supernatant. קריטי LCC, המשקע שהתקבל ניתן redispersed לחלוטין על ידי sonication הקל בטווח הבינוני בהתאמה, אשר במקרה זה הוא cholate H 2 O-SC נתרן המימי (בריכוזי SC נמוכים ככל -1 0.1 גרמו לליטר). התוצאה היא תפוצות עם כמעט כל ריכוז נבחר. חשוב לציין, כמעט שום חומר מבוזבז LCC, וכתוצאה מכך גביית מסות גדולות יחסית של nanosheets שנבחרו גודל. כפי שניתן לראות כאן, יישמנו נוהל זה למספר nanosheets-מודבק נוזלי כולל MOS 2 ו WS 2 וכן גז, 15 שחור זרחן 16 וגראפן 17 בשתי מערכות ממס פעילי שטח.

procedur צנטריפוגה ייחודית זודואר מאפשר בגודל הבחירה היעילה של nanosheets המודבק הנוזלי ולאחר מכן אפשר התקדמות משמעותית מבחינת גודלן ונחישות עובי. בפרט, באמצעות גישה זו הראינו בעבר כי הכחדה אופטית (וספיגה) ספקטרום של nanosheets משתנים בעקביות כאשר פונקציה היא nanosheets לרוחב עובי מידות nanosheets. ככל שאנו לסכם כאן, זו אפשרה לנו לקשר את פרופיל ספקטרלי nanosheet (ובמיוחד ליחס העוצם בשתי עמדות של ספקטרום ההכחדה) אורך nanosheet הרשע כמו תוצאה של השפעות קצה nanosheet. חשוב לציין 12,13, לאותה משוואה יכול לשמש כדי לכמת את גודל MOS 2 ו WS 2. יתר על כן, אנו מראים כי עמדת A-אקסיטון משמרת לעבר גלי אור נמוכים כפונקציה של עובי nanosheet הממוצע בשל שפעות כליאה. למרות קילוף, כמו גם גודל בחירה ונחישות הם בכלל מעדיפים לשדודנהלים אוסט, התוצאה הכמותית תלוי דקויות בפרוטוקול. עם זאת, במיוחד עבור עולים חדשים לתחום, קשה לשפוט איזה תהליך הפרמטרים הרלוונטיים ביותר. זה מסתכם בעובדה סעיפים הניסיונות של מחקרים רק מספקים פרוטוקול מחוספס, מבלי לדון מה תוצאה היא צפויה כאשר משנה את ההליך או מתן רציונל בפרוטוקול. בתרומה, בכוונתנו להתייחס לכך כמו גם לספק מדריך ודיון מפורטים לייצור nanosheets-מודבק נוזלי בגודל מבוקר אל הקביעה המדויקת של גודל באמצעות מיקרוסקופיה סטטיסטית או ניתוח של ספקטרום ההכחדה. אנו משוכנעים כי זה יעזור לשפר שחזור מקווים שזה יהיה מדריך שימושי עבור experimentalists אחר בתחום מחקר זה.

figure-introduction-1
figuבתשובה לשאלה 1: סכמטי של בחירת גודל על ידי צנטריפוגה מפל נוזל. nanosheets שנבחר גודל נאסף כמו משקעים. משקעים בכל נאסף או "לכוד" בין שתי מירויות צנטריפוגה (ω) החל במהירויות נמוכות הולכות אלה גבוהים משלבים לשלב. המשקע מושלך לאחר צנטריפוגה הראשונה מכיל crystallites השכבתית unexfoliated בעוד supernatant מושלך לאחר שלב צנטריפוגה האחרון מכיל nanosheets הקטן מאוד. תפוצות שנבחרו גודל מוכנים ידי מחדש פיזור המשקעים שנאספו באותו התווך (כאן פתרון פעיל שטח מימי) בעוצמות מופחתות. המעובד באישור 13. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

שרה נוזלית 1. - הכנת דיספרסיות מלאי בהתאם

  1. הר כוס מתכת מתחת sonotrode באמבט קרח.
  2. לטבול 1.6 גרם של אבקת TMD ב 80 בתמיסה מימית מ"ל של נתרן cholate (SC) פעילי שטח (ריכוז נתרן cholate, -1 C SC = 6 גרם L) בגביע מתכת.
  3. להזיז את הקצה הקולי לתחתי של כוס המתכת ולאחר מכן על ידי ~ 1 סנטימטר. עוטף בנייר אלומיניום ברחבי החללית הקולית כדי למנוע שפיכה.
  4. Sonicate את התערובת תחת קירור קרח ידי sonication החללי כדי למנוע חימום באמצעות קצה שטוח מוצק (750 מעבד W) עבור h 1 ב 60 משרעת% (דופק של 6 ימים על ו -2 s off).
  5. צנטריפוגה פיזור במהירות צנטריפוגה של 2,660 XG עבור 1.5 שעות. בטל supernatant המכיל זיהומים לאסוף את המשקע ב 80 פתרון פעיל שטח טרי מיליליטר (C SC = 2 גרמו ל -1).
    הערה: השתמש לגבהים מילוי מירבי של צינורות צנטריפוגה של 10 ס"מ לכל היותר. וטיהורrwise, להאריך את משך זמן צנטריפוגה.
  6. נושא הפיזור על שני, כבר sonication באמצעות הקצה השטוח המוצק 5 שעות ב 60 משרעת% (דופק של 6 ימים על ו -2 s off) תחת קרח קירור. החזר את באמבט קרח כל 2 h בעת השהיית sonication.

2. בחירת גודל Nanosheet ידי צנטריפוגה האשד הנוזל

הערה: כדי לבחור nanosheets לפי גודל, צנטריפוגה מפל נוזלת עם ברצף הגדלת תאוצה צנטריפוגלית מוחלת (איור 1). ההליך הבא מומלץ כמו הבחירה בגודל סטנדרטי של מפל במקרה של TMDS. לקבלת חומרים אחרים, מהירויות צנטריפוגה ייתכן שיהיה צורך מותאם.

  1. הסר אבקת unexfoliated על ידי צנטריפוגה ב 240 XG (1.5 krpm), 2 שעות. מחק את המשקע.
  2. צנטריפוגה supernatant ב אצה צנטריפוגלי גבוהה: 425 XG (2 krpm), 2 שעות. אסוף את המשקע פעיל שטח טרי בווליום מופחת (3-8 מיליליטר).
  3. צנטריפוגהsupernatant בהאצה צנטריפוגלי גבוהה עוד יותר: 950 XG (3 krpm), 2 שעות. אסוף את המשקע פעיל שטח טרי בווליום מופחת (3-8 מיליליטר).
  4. חזור על הליך זה עם האצות של צנטריפוגלי הבאים: 1,700 XG (4 krpm), 2,650 XG (5 krpm), 3,500 XG (6 krpm), 5,500 XG (7.5 krpm), ו 9,750 XG (10 krpm).

3. קביעה של Nanosheets גודל ועובי ידי מיקרוסקופי סטטיסטי

הערה: אם ערכים ספקטרוסקופיות כבר זמינים, סעיף 3 ניתן לדלג או מופחת, כלומר, לא בוצע עבור כל מדגם.

  1. אורך: במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM)
    1. תַצהִיר
      1. לדלל את תפוצות ריכוז הגבוהות עם מים (כדי להפחית את הריכוז הפעיל שטח), כך הם אור בצבע. זרוק יצוק על גבי רשת (עבור פחמן מחורר למשל, 400 רשת) המונחים על ממברנה מסנן כדי פתיל משם ממס עודף.
    2. הַדמָיָה
      1. מתאר לעצמי מספר שיאes על עמדות שונות על הרשת. התאם את שדה הראייה בהתאם לגודל nanosheet. לערכת לימוד הדמיה TEM מקיף, ראה התייחסות 18.
    3. ניתוח אורך סטטיסטי שבוצע באמצעות ImageJ
      1. פתח את תוכנת ImageJ, לבחור את תמונת TEM הרלוונטית דרך התפריט "קובץ" ו "לפתוח" את התמונה. התמונה תיפתח בחלון חדש.
      2. לחץ על הכרטיסייה "לנתח". בחר "סולם להגדיר" מן התפריט הנפתח. חלון חדש ייפתח. לחץ על "הסר סולם", לתקתק "גלובלי" ולחץ על "אישור".
      3. בחר באפשרות "הקו". צייר פרופיל הקו לאורכו של סרגל קנה המידה של התמונה TEM.
      4. לחץ "לנתח". בחר "סולם להגדיר" מן התפריט הנפתח. הזן את אורך בר המידה ננומטר לתוך התיבה "מרחק ידוע" ולחץ על "אישור".
        הערה: המרחק של קו משורטט על סרגל קנה המידה מוצג בפיקסלים.
      5. בחר באפשרות "הקו" ולמדוד את אורך nanosheet על ידי ציור פרופיל קו של הציר הארוך ביותר של nanosheet.
      6. לחץ "Ctrl + M" כדי למדוד. תיבה חדשה שכותרתו "תוצאות" פותחת עם אורך nanosheet מוצג בעמודה "האורך".
      7. חזור על שלב 3.1.3.6 עבור כל nanosheets שהופקד בנפרד (אלה מצטברים לא) בתמונה.
      8. בעת פתיחת תמונה חדשה, חזור על שלבים 3.1.3.3- 3.1.3.7. רוזן אורך 150 nanosheets.
        הערה: כל הנתונים אורך nanosheet נערכו בחלון "תוצאות" וניתן להעתיק לתוך תוכניות אחרות לעיבוד נוסף.
  2. עובי: מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM)
    1. לדלל את הפיזור כך הם כמעט שקופים לעין האנושית (המקביל ל עוצמת הכחדה אידיאלית ~ 0.2 לכל 1 הסנטימטר pathlength ב 400 ננומטר). במקרה של תפוצות פעילות שטח, לדלל עם מים לא פעיל שטח.
    2. יְרִידָה-להטיל על פרוסות מחוממות מראש. לקבלת פיזור על בסיס מים, מחממים את רקיק ~ 170 ° C על צלחת חמה הפקדה של 10 μL לכל 0.5 x 0.5 ס"מ 2 פרוסות.
    3. שוטפים את פרוסות ביסודיות עם מינימום של 5 מ"ל מים 3 מ"ל של 2-propanol להסיר פעילי שטח שיורית וזיהומים אחרים.
    4. סרוק ושמור תמונות מרובות על פני המדגם עם AFM ב קשה במצב. לקבלת nanosheets הקטן להשתמש ברזולוציה של 512 שורות לכל גודל תמונה ותמונה של 2 x 2 מיקרומטר 2 המקסימום. עבור דגימות המכילות nanosheets גדול, להגדיל את שדה הראיה של עד 8 x 8 מיקרומטר 2. השתמש קצב סריקה לפי הצורך (בדרך כלל 0.4-0.7 הרץ). לחלופין, לסרוק אזורים גדולים ברזולוציה גבוהה יותר.
    5. מדידת עובי באמצעות Gwyddion תוכנה
      1. פתח את התוכנה ובחר את תמונת AFM הרלוונטית באמצעות "קובץ" ו "פתוח". התמונה תיפתח בחלון חדש.
      2. תקן את הרקע באמצעות "נתוני רמה על ידי ממוצע המטוס subtraction "" align שורות "ו" צלקות אופקיות נכונות "בסעיף" עיבוד נתונים "של תפריט הביתה. החל את התיקונים, לשנות את צבע התמונה עבור לעומת זאת טוב יותר על ידי לחיצה ימנית על האגדה ולהגדיר מטוס- z לאפס.
      3. זום באזור הבחירה (אם נוח). לחץ על הכלי "היבול" בתפריט הביתה. גרור את הסמן על גבי התמונה לציון באזור הבחירה. לחץ "חל". בדוק את "הערוץ החדש ליצור" כדי לפתוח את האזור הנבחר בחלון חדש.
      4. בחר "פרופילים לחלץ" מתוך תפריט הכלים. חלון חדש נפתח.
      5. צייר קו על פני nanosheet. רשום את העובי בטבלה. במקרה של אי-הומוגנית עבה nanosheets, ממוצע עובי ברחבי nanosheet. קח בזהירות רבה כדי למדוד רק בנפרד שהופקד nanosheets שאינו מצטבר.
      6. חזור 3.2.5.3-3.2.5.5 לכל nanosheets על התמונה.
      7. חזור 3.2.5.1-3.2.5.6 לכל תמונהשעות מוקלטות. רוזן מינימום 150 nanosheets.
  3. המרה של עובי AFM למספר שכבת
    הערה: לכאורה לגבה AFM מן ננו המודבק הנוזלי בדרך כלל יש הערכת יתר בשל נוכחותם של ממס שיורים. בנוסף, מדידות גובה מדויקות של דגימות הומוגניות (כגון ננו שהופקד על מצעים) באמצעות AFM הם מאתגרים בדרך כלל בשל תרומות מתופעות כגון כוחות נימי הידבקות אשר תלויים בפרמטרי חומר ומדידה. 19,20 כדי להתגבר על בעיות אלה כדי להמיר את עובי AFM מדוד לכאורה למספר השכבות, ניתוח גובה צעד כינה הליך פותח כמתואר הבא. 12,13,16,21. שלבים 3.3.1-3.3.4 ניתן לדלג אם גובה צעד ידוע.
    1. להרחיב, נכון לחתוך את התמונה AFM כמתואר 3.2 לבחור nanosheet עם מרפסות להבחין בבירור.
    2. מדדו את גובה פניnanosheet באמצעות "לחלץ" את כלי הפרופיל.
      הערה: פרופילים מתאימים להראות פסיעות בדידות כמו לזו מתוארת בתרשים 2B הבלעה.
      1. רשום את גובה השלבים הבאים (כלומר, הפרש הגבהים ממרפסת אחד למשנהו על nanosheet).
    3. רוזן לפחות 70 צעדים אלה.
    4. מגרש את גובה צעד בסדר עולה (איור 2 ג).
      הערה: שימו לב כי עבור TMDS את גובה צעד לכאורה הוא תמיד כפולה של ~ 1.9 ננומטר.
    5. מחלק את עובי AFM לכאורה (נמדד כמפורט בסעיף 3.2) ב -1.9 ננומטר כדי להשיג את מספר השכבה.
      הערה: יש חומרים אחרים מקדמות מרת גובה צעד אחרת הדורשים כיול שונה.

4. קביעת MOS 2 ו WS 2 גודל ועובי בהתבסס על הכחדה ספקטרה

  1. רכישת ספקטרה
    1. לדלל את דגימות ריכוז הגבוהות עם respective בינוני (כאן cholate נתרן המימי, 2 גרם ל -1) להניב הכחדות מתחת ל -2 פני טווח הספקטרום כולו.
    2. הגדר את במרווחים לרכישת ספקטרלי 0.5 ננומטר בהגדרות המכשיר או להשתמש מהירות סריקה איטית או בינונית.
    3. בחר את הגדרות "בסיס לחסר" בהגדרות המכשירות. מניח את קובט המכיל את פתרון cholate נתרן המימי בתא המדגם של ספקטרומטר ולהפעיל את המדידה.
    4. הסר את קובט עם הפתרון נתרן cholate מן ספקטרומטר ולרוקן אותו. מלא את המדגם, מניח את המדגם בתא המדגם של ספקטרומטר ולהפעיל סריקה של המדגם.
  2. קביעת אורך מייחסים עוצמים
    1. אפשרות 1: קראו פעמית העוצמת בבית A-אקסיטון, שלוחת A (~ 660 ננומטר עבור MOS 2 ו 620 ננומטר עבור WS 2) ואת דקות שלוחת מינימום המקומיות (345 ננומטר עבור MOS 2 ו 295 ננומטר עבור WS 2). לחלקהעוצמת בבית-אקסיטון מעוצמת לכל הפחה המקומי כדי לקבל את היחס העוצם השלוחה A / min Ext.
    2. לקבוע את אורך nanosheet הממוצע, באמצעות משוואת 1.
      figure-protocol-1 (Eq. 1)
      שם שלוחת A / שלוחת דקות היא היחס העוצם ההכחדה בבית A-אקסיטון (השלוחה א) ואת המינימום המקומי (דקות Ext).
      הערה: המשוואה מחזיקה היא MOS 2 ו WS 2. עם זאת, הדיוק שלו מוגבל במיוחד עבור nanosheets הקטן.
    3. אפשרות 2: לקבוע את יחס עוצמת המקסימום המקומי באזור UV של הספקטרום, שלוחה מקס-HE (270 ננומטר עבור MOS 2 ו 235 ננומטר עבור WS 2) ואת המינימום המקומי, דקות שלוחה (345 ננומטר עבור MOS 2 ו 295 ננומטר עבור WS 2)
    4. לקבוע את אורך nanosheet הממוצע, באמצעות משוואה 2.
      משוואה 2 (Eq. 2)
      עם השלוחה max-HE המציין את העוצמת בבית המרבי המקומי באנרגיות גבוהות (270 ננומטר עבור MOS 2 ו 235 ננומטר עבור WS 2) ו שלוחת דקות עוצמת ההכחדה על המינימום המקומי (345 ננומטר עבור MOS 2 ו 295 ננומטר עבור WS 2 ).
      הערה: אפשרות 2 נותן מדד מדויק יותר של גודל לרוחב. עם זאת, באזור האנרגיה הגבוה לא יכול להיות נגיש בכל הממסים / חומרים פעילים השטח.
  3. ריכוז
    1. רשום את עוצמת הכחדה ביחס pathlength 1 ס"מ ב 345 ננומטר עבור MOS 2 ו 235 ננומטר עבור 2 WS, בהתאמה.
      הערה: מחלק את ההכחדה נמדדה שרשמה pathlength של קובט.
    2. מחלקים האינטנסיביות הזו במקדמי הכחדה של 68 Lg -1 ס"מ -1 ב 345 ננומטר עבור MOS 2 ו -47 Lg -1 ס"מ -1 ב 235 ננומטר עבור WS 2 כדי להשיג את נאנוסריכוז heet ב GL -1.
  4. קביעת עובי מעמדת A-אקסיטון
    1. חשב את הנגזרת השנייה של הספקטרום.
      1. באמצעות ניתוח הנתונים ותוכנת גרפים (למשל, OriginPro), בחר את העמודה שמכילה את עוצמת ההכחדה. לחץ על הכרטיסייה "ניתוח", בחר "מתמטיקה" מן התפריט הנפתח "להבדיל", "שיח פתוח". חלון חדש ייפתח. הגדרת סדר נגזר 2 ולחץ על אישור.
    2. להחליק את הנגזרת השנייה על ידי חישוב ממוצע צמוד (~ 10-20 נק 'חלון באזור A-אקסיטון).
      1. לדוגמא, באמצעות תוכנת ניתוח גרפי נתונים, עלילת הספקטרום הנגזר השני.
        1. עם החלון הגרפי הפעיל, לחץ על "ניתוח" ולבחור "עיבוד אותות", ואז "להחליק" ואז "שיח פתוח" מן התפריט הנפתח. חלון חדש ייפתח.
        2. בחר4; ממוצעים צמודים "כמו חלקה בשיטה ולהגדיר את הנקודות ל -20.
        3. שרטט את הספקטרום החליק כתוצאה אשר מוצג בתור עמודות חדשות. אם הרעש הוא עדיין גבוה, לחזור על החלקה.
          הערה: בדרך כלל, חלקת ספקטרלי נדרשה כדי לצמצם את הרעש, אלא פעמי אינטגרציה גבוהות במהלך המדידה משמשות. ההחלקה המתאימה היא חלק חשוב של ניתוח נתונים ואת שיטת ההחלקה המתאימה תלויה את התוצאה הרצויה. שיטת החלקה מסוימת זה אידיאלי רק כדי לקבוע את מיקום השיא הממוצע. 13
    3. לקריאה את מיקום השיא מן הנגזרת השנייה. זהו אורך הגל של A A-אקסיטון, λ. לחלופין, לבצע את השלבים המתוארים 4.4.4-4.4.7.
    4. המר את ציר x מן הגל לאנרגיה באמצעות היחס:
      E (eV) = 4.135E-6 * 2.997E8 / λ (ננומטר)
    5. התאימו את הנגזרת השנייה לנגזרת השנייה של לורנץאיאן.
      הערה: הלורנצי יכול להיות כפי שנכתב
      figure-protocol-3 (Eq. 3)
      כאשר h הוא גובה, E '0 הוא מרכז ו w הוא FWHM. התמיינות פעמים ביחס E נותן
      figure-protocol-4 (Eq. 4)
      1. ב תוכנת ניתוח גרפי נתונים, בחר "כלים" מהתפריט הראשי ובחר "בונה פונקציה הולמת". חלון חדש ייפתח.
      2. בחר "ליצור פונקציה חדשה", לחץ על הבא.
      3. השאר את הגדרות ברירת המחדל, לתת את הפונקציה שם ולחץ הבא.
      4. גדר "h, E, W" כפרמטרים, לחץ הבא.
      5. הזן "(-8 * H / W ^ 2) * (1-3 * (2 * (Ex) / w) ^ 2) / (1+ (2 * (Ex) / w) ^ 2) ^ 3" כמו גוף הפונקציה, לחץ על סיום.
      6. מגרש רק באזור A-אקסיטון של הספקטרום נגזר השני על רמות האנרגיה.
      7. עםגרפיקת חלון פעיל, לחץ על הכרטיסייה "ניתוח". בחר "הולמת", "התאמה עקומה ליניארית", "שיח פתוח" מן התפריט הנפתח. חלון חדש ייפתח.
      8. בחר "המוגדר על ידי משתמש" בקטגוריה ולבחור את הפונקציה שנבנתה בעבר בתיבת הפונקציה. ב "פרמטרים" הכרטיסייה כדי לקבוע את הערכים ההתחלתיים עבור w ל 0.1, ו- E 1.99 עבור WS 2 ו 1.85 עבור MOS 2. לחץ "מתאים"
    6. רשמו את האנרגיה E '0, המהווה את האנרגיה הקשורה A-אקסיטון, E' A.
    7. לקבוע את מספר שכבות על פי משוואות 5 (MOS 2) ו -6 (WS 2).
      figure-protocol-5 (Eq. 5, MOS 2)
      figure-protocol-6 (Eq. 6, WS 2)
      באות A λ המציין את אורך הגל של A-exciton ו- E A המציין את האנרגיה של A-אקסיטון.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

צנטריפוגה מפל נוזלי (איור 1) היא טכניקה רבת עוצמה כדי למיין nanosheets-מודבק הנוזל על ידי גודל ועובי כפי שמודגם באיור 2 הן MOS 2 ו WS 2. בגדלים ועוביים לרוחב Nanosheet יכולים להתאפיין, TEM ו AFM הסטטיסטיים בהתאמה. תמונת AFM טיפוסית מוצגת איור 2 א. עובי nanosheet לכאורה מומר שכבת מספר באמצעות ניתוח גובה צעד (איור 2B ו- C). תשואות ניתוח מיקרוסקו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

להכנת דגימות

הדגימות המתוארות כאן מיוצרות על ידי sonication קצה. נהלי שרה אלטרנטיביים יכולים לשמש, אבל יובילו ריכוזים שונים, גדל לרוחב מעלות של שרה. אמפליטודות גבוהה יותר על פולסים במהלך sonication יש להימנע כדי למנוע פגיעה של sonicator. תוצאות דומות התקבלו באמצעות 500 מעבדים W. עם זאת, זמן sonication ואת המשרעת יש השפעה על קילוף nanosheet וריאציות מן הפרוטוקול זה עשוי להביא לידי היקף nanosheet שונה וריכוזים מכפי שה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

המחקר שהוביל לתוצאות אלה קיבל מימון מתוכנית המסגרת השביעית של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מס' 604391 ספינת הדגל של גרפן. C.B. מכיר בקרן המחקר הגרמנית, DFG, תחת מענק BA 4856/2-1.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
נתרן כולאט הידרט, ממרה של שור ו/או כבשSigma AldrichC1254-100Gחומר פעילי שטח המשמש כמייצב בצורת תמיסה מימית (כלומר, לאחר המסת האבקה במי מיליפוב)
MoS2 אבקתSigma Aldrich69860-100Gמפיצים אחרים זמינים, אך הפילינג והתוצאה של בחירת הגודל עשויים להשתנות
WS2, אבקה 2 μ mSigma Aldrich243639-50Gמפיצים אחרים זמינים, אך הפילינג והתוצאה של בחירת הגודל יכולים להשתנות
ImageJ מפתח תוכנה: National Insitutes of Health64 סיביות Java גרסה 2.45 1.6.0_24תוכנת עיבוד תמונה המשמשת לניתוח TEM, להורדה חינם
Gwyddion Softwareיצרן: המכון הצ'כי למטרולוגיה64 סיביות Java גרסה 2.45תוכנת עיבוד תמונה המשמשת לניתוח AFM, להורדה בחינם
Origin Pro SoftwareOriginLabגרסה 2016תוכנה המשמשת לניתוח נתונים כגון דיפרנציה והתאמה של ספקטרום ההכחדה
צנטריפוגהHettichLabMikro 220Rכל צנטריפוגה אחרת מתאימה
רוטור 1Hettichרוטור 1016עבור צנטריפוגה < 5,000 x
g רוטור 2Hettich Rotor1195-Aלצנטריפוגה >5,000 x g

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

הכנת Nanosheets Dichalcogenide מתכות מעבר נוזלי-מודבק עם גודל מבוקרת עובי: מדינה לפרוטוקול אמנות
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.