Visualizzazione microscopica di nanografeni porosi sintetizzati attraverso una combinazione di soluzione e chimica superficiale

La combinazione di soluzione e chimica superficiale porta nuovi materiali a base di carbonio nelle nostre vite. Le moderne tecniche di imaging, come la microscopia a scansione a effetto tunnel o la microscopia a forza atomica, forniscono una visione dettagliata della struttura, della composizione e delle proprietà di composti di nuova concezione e sintetizzati fino ai singoli atomi. Iniziare con il risciacquo del monocristallo d'oro immergendolo completamente nel becher da laboratorio riempito di acetone e coprire il becher di vetro con Parafilm.

Successivamente, pulire il campione nello scrubber a ultrasuoni per cinque minuti. Montare il monocristallo d'oro sul portacampioni e sfiatare il blocco del carico. Trasferire il campione nel sistema UHV per riscaldarlo a una temperatura superiore a 100 gradi Celsius per diverse ore.

Ricuocere il campione a 450 gradi Celsius utilizzando il riscaldatore resistito montato nella camera di preparazione per 15 minuti. Controllo della temperatura con la termocoppia tipo K.Dopo aver calibrato la pistola con fosforo, orientare il campione e regolare la distanza tra la pistola e il campione con una precisione di 50 millimetri. Durante la ricottura, spruzzare il campione con ioni argon.

Non dimenticare di spegnere la pompa ionica e la pompa a sublimazione prima di aprire la valvola del gas. Eseguire lo sputtering del campione utilizzando la pistola ionica orientata a un angolo di 45 gradi rispetto alla superficie del campione con la pressione del gas impostata a cinque per 10 raggi alla potenza meno sette millibar. Dopo aver completato i cicli di pulizia, verificare la qualità del campione d'oro 111 con STM.

Spostare indietro la cella di Knudsen e chiudere la valvola tra la cella di Knudsen e la camera di preparazione prima di sfiatare la cella di Knudsen. Riempi il crogiolo di quarzo dedicato con circa un milligrammo di polvere molecolare e posiziona correttamente il crogiolo all'interno della cella di Knudsen. Dopo aver montato la cella di Knudsen sulla valvola della camera di preparazione, svuotarla con la pompa del vuoto esterna.

Non aprire la valvola tra la camera di preparazione e la cella di Knudsen fino a quando non viene pompata verso il basso per evitare la contaminazione della camera di preparazione. Trasferire il campione d'oro pulito dalla camera del microscopio alla camera di preparazione. Quindi posizionare il campione direttamente in linea con la cella di Knudsen e regolare la distanza tra il campione e l'evaporatore in modo che sia compresa tra 50 e 100 millimetri.

Tenere il campione rivolto lontano dalla cella di Knudsen per evitare la deposizione incontrollata del materiale molecolare. Accendere la cella di Knudsen e impostare la temperatura precedentemente calibrata con una microbilancia al quarzo per l'evaporazione delle molecole. Depositare le molecole ruotando il campione in modo che sia rivolto verso la cella di Knudsen e mantenere il campione in questa posizione per quattro minuti.

Quindi ruotare il campione in modo che sia rivolto verso l'esterno della cella di Knudsen e spegnere la cella di Knudsen per arrestare l'evaporazione. Ricuocere il campione con molecole a 320 gradi Celsius per 15 minuti, quindi a 370 gradi Celsius per 15 minuti. Dopo ogni fase di ricottura, misurare il campione mediante LTSTM accoppiato con AFM per indagare la fase corrente dell'esperimento e verificare la presenza e il tipo di oggetti generati.

Quando il lock-in è disattivato, avvicinarsi alla superficie del campione con la punta STM. Innanzitutto, eseguire l'approccio al percorso utilizzando l'unità Z. Durante l'avvicinamento, osservare la punta STM e la sua immagine speculare utilizzando una telecamera.

Avvicina ulteriormente il campione alla distanza di tunneling con l'uso del software del microscopio. Quindi ritrarre la punta di due o tre gradini dalla superficie. Attiva il blocco e imposta i parametri di blocco come frequenza, ampiezza e costante di tempo.

Monitora il segnale IT. Modificando la fase dell'amplificatore di blocco, ridurre al minimo il segnale IT intorno allo zero. Avvicinamento alla superficie.

Quindi calibrare il DIDV su una superficie pulita in oro 111 cercando la posizione e la forma dello stato superficiale di Shockley. Per la mappatura DIDV, impostare il valore basso della velocità di scansione. Dopo aver raffreddato il campione nel microscopio, aprire la valvola per 1,5 minuti e impostare la pressione del monossido di carbonio a cinque per 10 aumentata alla potenza meno otto millibar.

Controllare l'esempio in STM. Quando la punta è metallica, le molecole di monossido di carbonio sulla superficie dell'oro mostrano un contrasto specifico. Per prelevare una singola molecola, posizionare la punta sopra la molecola di monossido di carbonio e ritrarre la punta di almeno 0,3 nanometri.

Rampa la tensione a tre volt prima di riportare la punta nella posizione predefinita. La brusca variazione del valore I indica il processo di manipolazione del prelievo di monossido di carbonio. Controllare se il contrasto STM della molecola di CO è cambiato.

L'immagine mostra l'aspetto tipico registrato a 0,5 volt e 15 picoampere. Dopo aver eseguito la scansione STM, scegliere la singola molecola separata per le misure NC-AFM. Trova un piano Z corretto parallelo al piano della molecola.

Ritrarre la punta dalla superficie di circa 0,7 nanometri e disattivare l'anello STM. Il microscopio è pronto per iniziare le misure NC-AFM. La prima fase della ciclo-deidrogenazione si ottiene mediante ricottura di precursori molecolari a 320 gradi Celsius, ottenendo eliche molecolari isolate.

La conformazione non planare delle molecole può essere dedotta dal loro aspetto STM con tre lobi luminosi distinguibili. La ciclo-deidrogenazione finale produce pori di anilina e si ottiene quando il campione viene riscaldato fino a 370 gradi Celsius, risultando in una miscela molecolare con singole entità contenenti uno, due o tre pori incorporati. La caratterizzazione strutturale dettagliata è ottenuta mediante misure NC-AFM risolte in legame, che mostrano la presenza del nanografene poroso trigonale.

L'anello centrale in fenile si trova più vicino alla superficie dell'oro. L'aspetto del nanografene suggerisce che la struttura adotti una conformazione non planare, dovuta alle interazioni steriche tra gli atomi di idrogeno all'interno dei pori dell'anilina. La mappatura STS a punto singolo e STS spaziale fornisce una visione senza precedenti delle proprietà degli oggetti su scala nanometrica con risoluzione submolecolare.

La risonanza registrata a meno 1,06 volt potrebbe essere collegata con l'orbitale molecolare occupato più alto, mentre quello acquisito a 1,61 volt è dominato dall'orbitale molecolare non occupato più basso. La sintesi in superficie apre la strada ai nostri sistemi anatomicamente precisi a bassa dimensionalità, come le molecole nanometriche, i legami anilina del grafene e i nuovi allotropi del carbonio. Ispira anche lo sviluppo del magnetismo a base di carbonio o di nuovi dispositivi funzionali.