溶液と表面化学の組み合わせにより合成された多孔質ナノグラフェンの顕微鏡的可視化

溶液と表面化学の組み合わせは、新しい炭素ベースの材料を私たちの生活にもたらします。走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡などの最新のイメージング技術は、新たに設計および合成された化合物の構造、組成、および特性を単一の原子に至るまで詳細に把握することができます。金単結晶をアセトンで満たされた実験室のビーカーに完全に浸してすすぐことから始め、ガラスビーカーをパラフィルムで覆います。

その後、超音波スクラバーでサンプルを5分間洗浄します。金単結晶をサンプルホルダーに取り付け、ロードロックを通気します。サンプルをUHVシステムに移し、数時間にわたって摂氏100度以上に加熱します。

試料を調製チャンバーに取り付けられた抵抗ヒーターを使用して、摂氏450度で15分間アニールします。熱電対タイプKで温度制御するガンを蛍光体で校正した後、サンプルの向きを調整し、ガンとサンプルの距離を50mm以内に調整します。アニーリング中に、アルゴンイオンでサンプルをスパッタリングします。

ガスバルブを開く前に、イオンポンプと昇華ポンプのスイッチを切ることを忘れないでください。サンプル表面に対して45度の角度を向けたイオンガンを使用して、ガス圧を5 x 10 rayから7ミリバールのパワーに設定したサンプルスパッタリングを行います。クリーニングサイクルが完了したら、STMで金111サンプルの品質を確認します。

Knudsenセルを戻し、Knudsenセルと調製チャンバーの間のバルブを閉じてから、Knudsenセルを排出します。専用の石英るつぼに約1ミリグラムの分子粉末を充填し、るつぼをKnudsenセル内に適切に配置します。Knudsenセルを準備チャンバーのバルブに取り付けた後、外部真空ポンプでポンプダウンします。

調製チャンバとKnudsenセルの間のバルブは、プレパレーションチャンバの汚染を避けるために、ポンプダウンされるまで開かないでください。きれいな金サンプルを顕微鏡チャンバーから調製チャンバーに移します。次に、サンプルをKnudsenセルと直接一致させ、サンプルと蒸発器の間の距離を50〜100ミリメートル以内に調整します。

分子材料の制御不能な沈着を避けるために、サンプルをKnudsen細胞から遠ざけてください。Knudsenセルのスイッチを入れ、分子蒸発用の石英マイクロバランスで以前に校正した温度を設定します。サンプルを回転させてKnudsen細胞に面して分子を沈着させ、サンプルをこの位置に4分間保持します。

次に、サンプルを回転させてKnudsenセルから遠ざかり、Knudsenセルのスイッチを切って蒸発を停止します。試料を分子で320°Cで15分間アニールし、次に370°Cで15分間アニールします。各アニーリングステップの後、LTSTMとAFMを組み合わせてサンプルを測定し、実験の現在の段階を調査し、生成されたオブジェクトの存在とタイプを確認します。

ロックインがオフの場合は、STMチップでサンプル表面に近づきます。まず、Zドライブを使用してコースアプローチを行います。アプローチ中は、カメラを使用してSTMチップとその鏡像を観察します。

顕微鏡ソフトウェアを使用して、サンプルをトンネル距離にさらに近づけます。次に、先端を表面から2〜3ステップ引っ込めます。ロックインをオンにし、周波数、振幅、時定数などのロックインパラメータを設定します。

IT 信号を監視します。ロックインアンプの位相を変更することにより、IT信号をゼロ付近に最小化します。水面にアプローチします。

次に、ショックレーの表面状態の位置と形状を探して、きれいな金色の 111 表面で DIDV をキャリブレーションします。DIDV マッピングの場合は、スキャン速度の下限値を設定します。顕微鏡でサンプルを冷却した後、バルブを1.5分間開き、一酸化炭素圧力を5×10にして、パワーマイナス8ミリバールに設定します。

STMでサンプルを確認します。先端が金属の場合、金表面の一酸化炭素分子は特定のコントラストを示します。単一の分子を拾うには、チップを一酸化炭素分子の上に置き、チップを少なくとも0.3ナノメートル後退させます。

電圧を3ボルトに上げてから、チップを所定の位置に戻します。I値の急激な変化は、一酸化炭素ピックアップの操作プロセスを示しています。CO分子のSTMコントラストが変化したかどうかを確認します。

この画像は、0.5ボルトと15ピコアンペアで記録された典型的な外観を示しています。STMスキャンを実施した後、NC-AFM測定用に分離された単一分子を選択します。分子平面に平行な適切なZ平面を見つけます。

先端を表面から約0.7ナノメートル後退させ、STMループをOFFにします。顕微鏡でNC-AFM測定を開始する準備が整いました。シクロ脱水素化の最初のステップは、分子前駆体を摂氏320度でアニールすることにより達成され、分子プロペラが単離されます。

分子の非平面的なコンフォメーションは、3つの識別可能な明るいローブを持つSTMの外観から推測できます。最終的な環状脱水素化によりアニリン細孔が生成され、サンプルを摂氏370度まで加熱すると、1つ、2つ、または3つの包埋細孔を含む単一のエンティティを持つ分子混合物が得られます。詳細な構造特性評価は、結合分解NC-AFM測定によって得られ、三方晶多孔質ナノグラフェンの存在を示します。

中央のフェニルリングは、ゴールドの表面に近い位置にあります。ナノグラフェンの出現は、アニリン細孔内の水素原子間の立体相互作用により、構造が非平面構造を採用していることを示唆しています。シングルポイントSTSと空間STSマッピングは、ナノスケールの物体の特性に関する前例のない洞察を、サブ分子の解像度で提供します。

マイナス1.06ボルトで記録された共鳴は、最も高い占有分子軌道と関連している可能性があり、1.61ボルトで取得された共鳴は、最も低い占有されていない分子軌道によって支配されています。表面上合成は、ナノメートル分子、グラフェンアニリン結合、新しい炭素同素体など、解剖学的に精密な低次元システムへの道を開きます。また、炭素ベースの磁性や新しい機能デバイスの開発にも影響を与えます。