Summary
ここで物理的な熱蒸発によって C60/graphene ハイブリッド ナノ構造の形成のためのプロトコルを提案する.特に、蒸着・焼鈍条件の適切な操作は、波状のグラフェンの準 1 C と 1 D の生成を制御60構造を許可します。
Abstract
高真空環境で物理蒸着法は、グラフェン新規分子ナノ構造を製造するためクリーンおよび制御可能な方法です。入金および受動的実現用途で 1 D C60/graphene ハイブリッド構造の追求を進める波状グラフェン C60分子を操作するためのメソッドを紹介します。この博覧会に適用される手法は、調製区域サポート分子蒸着だけでなく、サンプルの熱処理が可能で高真空システムに向けて想定しています。走査型トンネル顕微鏡 (STM) システムに接続されている自家製クヌーセンセルを用いた低圧 C60沈着に着目します。分子の数は、クヌーセン細胞と成膜時の温度を制御することによって規制されています。幅が 2 〜 3 分子の次元 (1 D) C60チェーンの構造は、実験条件のチューニングで用意できます。C60分子の表面移動波状のグラフェンの周期的ポテンシャル内移動できるようにアニール温度と増加します。このメカニズムを使用すると、1 D C60チェーン構造六角近くにパックされた擬 1 次元ストライプ構造の遷移を制御することが可能です。
Introduction
このプロトコルでは、入金して 1 D および擬 1 次元 C60チェーン構造を実現できるように C60分子グラフェンを操作する方法について説明します。この実験の技術は望ましい構成に手動の操作が遅いと大変な努力を必要とすることができますに依存することがなく吸着を指導の必要性に対処するため開発されました。ここで説明する手順は、サンプル準備領域の分子堆積とサンプルの熱アニールをサポートできる高真空システムの使用に依存します。STM は、サンプルを特徴付けるために使用が、他の分子分解能技術を適用することがあります。
クヌーセン細胞内の分子の熱蒸発は、薄膜を準備する効率的かつクリーンな方法です。このプロトコルでは、クヌーセンセルはグラフェン基板上に C60分子を蒸発させるためです。このクヌーセン セル蒸発器は主に石英管、加熱フィラメント、熱電対ワイヤーおよびフィードスルー1,2,3で構成されています。分子に対応する石英管を使用、石英分子チューブを介してタングステン フィラメント加熱印加電流、および温度を測定する熱電対ワイヤーを使用します。実験では、成膜速度はクヌーセン セル内温度ソースをチューニングすることによって制御されます。熱電対ワイヤは石英管の外の壁にアタッチされ、したがって、通常分子のソースがあるセル内温度とは少し異なる外側の壁の温度を測定します。石英管の正確な温度を得るためには、チューブの内外の温度を測定する熱電対の 2 つの設定を使用して校正を行い温度差を記録しました。これで、石英管の外側に接続されている熱電対ワイヤを使用して分子の蒸発の実験中にソースの温度をより正確に制御できます。昇華の分子の少量なりますので低い圧力で気体の分子が蒸発したとき、通常関連付けられている圧力変更があります。したがって、我々 は注意深く負荷ロック内の圧力の変化を監視します。
この蒸発器を使用して、さまざまな分子ソース C60C70、ホウ素 subphthalocyanine 塩化物、Ga、アルと Hg4,5,6,7、8を入金できます。他の薄膜作製技術と比較して、例えば、スピン キャスト9,10,11, 高真空熱蒸発は非常にクリーンで汎用性の高い溶媒の必要がないので蒸着。さらに、堆積前に脱ガス過程は可能な限り不純物を除去する、ソースの純度を向上させます。
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Protocol
1. 自家製クヌーセンセルの準備
-
クヌーセンセルのためのコンポーネントを準備します。
- 購入フランジ CF ベース電源フィードスルー (2.75"CF, 4 ピン ステンレス)。1 つ直径 1.30」線と円周の間のクロス ポイントで、フィードスルーを通して 2 つのネジ穴をドリルします。
- ガラス管 (0.315"外径 (OD) 2.50" の長さ) を準備します。
- 0.005"厚銅薄板 (99.9%) を購入します。7.5"L の寸法に 1 つのシートをカット x 5.0" W はさみ、手で 1.45"径シールド中空博士にカールのペアを使用して (図 1 a)。
- クロメルとアルメル線 3"の長さを切断することによって K 型熱電対 (クロメル/アルメル) 直径 0.005」を準備します。両方のワイヤの両端からの長さは約 0.5」の絶縁体層をはがします。
- 0.01"直径タングステン ワイヤ (99.95%) を約 60 インチの長さにカットします。匹敵するガラス管径の棒をそれしっかりとラップの 0.315"直径のバネ形状にコイルします。
- 陶芸作品を購入します。適切な直方体ワンピース (図 1 bの 5 ) ガラスの寸法に合った真ん中に穴が開いてを準備します。
- 旋盤機械で製材のバンディングと 7"の長さに 2 標準鋼スレッド 0.10" 直径の棒を削減します。
- ハサミを使用して、おおよそ 30"長さにソフト、0.01" 径の銅ワイヤーをカットします。
- 2「長さ、および 4"長さのサイド カッターを使用して、1 つの棒に 3 つ棒を切断することによって 4 0.094" OD 径中空銅棒材を準備します。
-
クヌーセン細胞でこれらの作品を組み立てる
- 1.1 42 kHz で 30 分間アセトンで洗浄は超音波を使用しての手順に記載されているすべてのコンポーネントをクリーンアップします。
- 2 の標準鋼通された棒は電源フィードスルーの CF フランジの穴をマウントします。
注: 穴がスレッド (で 7 図 1 b) です。 - 中空の銅棒にピンを挿入してサイド カッター (図 1 bの 6 ) によってそれらの修正によって CF フランジ付け電源フィードスルーの 4 ピンの最上部で 4 中空銅ロッドの半分で下部をマウントします。
- 軟銅線に通された棒の下からの 2.5"高い位置で陶芸作品をマウントします。
注: この作品は、次の手順 (図 1 bの 5 ) でガラス管をサポートします。 - カール タングステン春にガラス管をスライドさせます。セラミック部分の穴にガラス管の下部を絞る。(3 と 4 の図 1 b) 通された棒の上端にガラス管の上端を保持するのに軟銅線を使用します。
- A. 短い銅棒の B (A と B の図 1 b) として定義されている 1 つに春の下端をグリップとして定義されている、長い銅棒ばねの上端をグリップします。
- クロメルとアルメル ワイヤ一緒に (2 の図 1 b) の皮をむいた端をひねます。
- ガラス管の外側の底部と密接に接触するツイスト共同エンドを配置します。セラミック部分の助けを借りてそれを固定します。
- C. グリップとして定義されて左 2 の短いの銅棒の 1 つに、クロメルの他の皮をむいた端のワイヤー D (C と D の図 1 b) として定義されている、左の短い銅ロッドにアルメル ワイヤの他の皮をむいた端のグリップ。
- (図 1 a) CF フランジ付け電源フィードスルーにカール銅中空博士シールドを配置します。
2. 自家製クヌーセンセルで C60ソースを準備します。
- 自家製のクヌーセンセルで C60ソースをロードします。
- 自家製のクヌーセンセルのガラス管に C60粉末 (純度 99.5%) の約 50 mg をロードします。
注: 粉体の質量の 1 mg を超える精度が必要ではありません。 - 読み込みロックの 1 つの分岐に戻ってクヌーセンセルをマウントします。
- 自家製のクヌーセンセルのガラス管に C60粉末 (純度 99.5%) の約 50 mg をロードします。
- 読み込みロックをポンプします。
- 読み込みロックのポンプをオンに。最初ターボ ポンプを冷却水バルブをオンにし、機械式ポンプを冷却するファンをオンにします。機械式ポンプをオンにし、最終的にターボ ポンプを入れます。
- ロックの負荷圧力をチェックして、約 10 時間を待ちます。
注: ターボ ポンプの出口圧力は x 10-2 mbar 6.0 をする必要があります。 - 低圧 (通常 10-6 mbar) の下に負荷ロックにマウントされているイオン ゲージを入れます。
- ロックの負荷圧力をチェックする: 圧力は 10 h ポンプの後 10-8 mbar の範囲内にする必要があります。
- C60ソース自家製クヌーセンセルをアニールします。
- 自家製のクヌーセンセルで C60ソースを徐々 にアニール (1.5 ° C/分) 電源を接続することにより脱ガスの 2 h の 250 ° c を CF フランジ付け電源フィードスルーのカール タングステン春に接続されている 2 つのピンに供給します。
- 成膜温度 (270 ° C) の上である 300 ° C にアニーリングの温度を上げます。
- さらに脱ガス 0.5 h 300 ° C でアニールします。
- 蒸着 270 ° C まで温度を下げます。
3. 超高真空チャンバーのアトミックきれいなグラフェンを準備します。
- STM システム (超高真空下で試料を熱処理と準備するための特別な場所) の超高真空準備室で焼鈍板 (銅箔) のサンプル ストレージ カルーセルからグラフェンを転送します。
- 400 ° c. に温度を徐々 に増やすことで基本準備室内低 10-10 mbar の圧力でグラフェン基板をアニールします。
- 12 h グラフェン表面に残留不純物を除去するを待ちます。
- 部屋の温度に徐々 にグラフェン基板のアニール温度が低下します。
4. 入金負荷ロックで自家製クヌーセンセルを用いたグラフェン基板上に C 60
- グラフェン基板を負荷ロックに転送します。
- 転送位置の準備室でプレートを配置します。アトミックきれいなグラフェンと C60ソースの準備をした後、アトミックきれいなグラフェンを蒸着 C60負荷のロックに転送します。
- 読み込みロックと準備室の間の弁を開きます。
- 準備室でプレートから積み出しツールで読み込みロックにグラフェン基板を転送します。
- グラフェン基板の顔を置くダウン (C60は以下のソースから来ている)。
- グラフェン基板上に C60を入金します。
メモ: C60分子自家製のクヌーセンセルから 270 ° C でグラフェン基板に転送します。- 0.9 単分子膜/分の堆積速度と 1 分待ちます。
- C60/graphene サンプルを準備室に転送します。
5. C 60 /Graphene STM メイン室で測定するサンプルを準備しなさい
- 超高真空準備室で 2 時間 3.1 ° C/分の速度で 150 ° C に C60/graphene サンプルをアニールします。
- STM の主室に STM を用いた C60/graphene サンプルをスキャンします。
- 2 h の 3.1 ° C/分の速度で 210 ° C に C60/graphene サンプルをアニールします。
- STM を用いた C60/graphene サンプルをスキャンします。
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Representative Results
次の蒸発、新しく堆積 C60グラフェンは 150 ° C 2 時間で熱処理しました。図 2 aの大規模な STM 像は、この初期の焼鈍後に発見された特徴的な擬 1 次元 C60チェーン構造を示します。図 2bのより緊密な検査は、各明るい球状突起が 1 つ C60分子を表しますこの 1 次元構造の詳細を明らかにします。通常、1 D 鎖は分子と trimolecular の C60チェーン C60分子が六角形に配置ことを示す 1.00 ± 0.01 nm の平均 C60-60距離近い詰められた方法を発生します。図 2 c図 2 bに緑の点線に対応するラインのプロファイルは、2 番目とプロファイルの第 3 のピークが最寄りの隣人分子鎖が C60チェーン間の明確な分離を示しています。観測によるとチェーンは 2 倍 trimolecular チェーンとして頻繁に発生する分子の鎖を持つ分子または trimolecular の行としてのみ存在します。高分解能 STM 像で観察したようにチェーンは 3-2-2 または 2-3-2 のどちらかの方法で配置します。Trimolecular セグメントが分子の配置またはその逆をジャンプすることができます 1 つのチェーン内のいくつかの接合がありますが発生します。
下による擬 1 次元 C60チェーンの成長グラフェン基板。アトミックきれいなグラフェン基板 (図 1 c) の高分解能 STM 像は、波状の構造を示しています。この明確に定義された線形周期変調を引き起こす C60分子擬 1 次元鎖を形成します。サンプルが 2 h 210 ° C で C60/graphene 1 次元ナノ構造の熱の影響を調査するためにその後アニールされます。表面のモビリティを向上させ高温焼鈍よりコンパクトに自己組み立てるように C60分子の六角閉じる充填擬 1 次元ストライプ構造を図 3 aに示すように。これらの構造は、C60チェーンとして同じ方向に向き、図 3bに示すように、ストライプ、あたりの 3 と 8 の分子間変化の幅が観察されます。最も一般的なストライプは、5 行の縞は第 2 最も可能性の高いストライプ構造 6 C60行、時間の発生する 45% の幅を持っています。この構造で、近隣のストライプを分離するスペースはありません。優しく焼なまし C60チェーン構造体からの明白な違いは、ストライプ形成されていない単一のフラット テラスですが千鳥の狭い段丘上ほぼ真っ直ぐで平行ステップ エッジ (図 3 b, c) として表示されます。各ステップの端には、上部のテラスに 1 つや低位段丘上の 1 つの境界で 2 つの行は、0.75 ± 0.01 nm の横方向の間の行間隔のみを持つ、互いに相対密度の高い配置を想定しています。この整理はおそらく高温アニール後に形成された基になるテラスを収容します。テラス面 C60分子はまだ C60- C60分子間の間隔特性の同じ密充填パターンを維持します。0.5 Å C60行についても、同じテラス; より高い周りに上部のテラスにステップの端に近い C60行が表示されます。これは図 3 bcで示すように、様々 なローカル電子環境のため可能性があります。以前のチェーン構造と同様に、接合のある近隣のストライプ。体系的にこれらの 2 つの異なる構造体を比較して、それらを説明するために 3 D モデルを使用します。図 4 acは、C60チェーンの模式的モデルの上面と側面のビューそれぞれ、C60分子 (暗い緑球) とグラフェン基板 (小さな青い球) のハニカム構造。ここでは、分子細胞 (チェーン プラス 1 つの鎖間の間隔) と隣接する trimolecular セル鎖構造の単位が定義されます。3 D モデルは、明確に 5.08 ± 0.02 nm として 1 つのユニットのサイズを示しています。大きなギャップ間隔 (1.23 nm) 隣接した鎖の間図 4 acのラベルが付いています。図 4 b、dは、6 行のストライプ構造の 3次元概略モデルを示しています。2 つの隣接する C60ストライプの狭い間行間隔が 0.75 nm 典型的な六角形近い充填構造よりも小さいである図 4 bに分類されるようです。これらの典型的な 6 行の縞 5.08 ± 0.02 nm、チェーン構造12のユニット サイズの横方向の間隔とほぼ等しい横方向の周期性があります。
図 1.自家製クヌーセンセルとグラフェン基板のアトミック解決の STM 像。銅シェル (、) 自家製クヌッセンのセルです。(b) 銅シェル内の主要なコンポーネントを示す自家製クヌーセンセルの詳細な構造。1 は CF フランジ、2 は、熱電対線、3 はフィラメントが W、4 はガラス管、5 は、陶芸作品、6 は中空の銅棒 (A、B、C、D)、7 は棒を支える、8 はフィードスルー。(c) アトミックきれいなグラフェン表面12の STM 地形イメージを解決します。図 1 cは、12から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 2.C の STM 像60 150 で焼鈍後チェーン ° C(、) C60個々 のチェーンよりもはるかに大きいスケールでグラフェン上によく整理された 1 次元鎖を形成 (Vs 2.255 V の = 私 = 0.300 ナ)。(b) 分子分解能 STM 像 C60ナノ構造分子または trimolecular のみチェーンの出現を示します。チェーン内の分子間の間隔は 1.0 nm 近隣チェーンに属する隣接 C60行の中心間の距離は 1.23 0.87 の間の距離よりもずっと大きい nm nm 近くのパック C60構造 (私 = 0.500 nA、Vs = 1.950 V)。(c) 分子間の距離と (b)12緑の点線に沿って隣接した鎖の間のギャップを示す線の輪郭。この図は、12から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 3.自己組織化準六角閉じるパック 1 D C60ストライプ構造グラフェン 210 アニーリング温度を上げる後 ° Cすぐ準六角形を示す (、) STM 画像満載同じ軸に沿った向き C60 1d ストライプ (私 = 0.200 nA、Vs = 2.200 V)。(b) 高分解能 STM 像 C60 1d ストライプ (私 = 0.200 nA、Vs = 2.400 V)。正六角形を示す (c) A 線プロファイルは、パック C60 1d ストライプ (b)12緑の点線に沿って 2 つのテラスを閉じます。この図は、12から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 4.回路図モデル。両方 C60チェーン モデルの回路図と濃い緑として小さく、基になる青い球体と C60分子としてグラフェンを描いたストライプ、空間充填球します。(、 c)グラフェンの分子と trimolecular の C60チェーンの平面図と側面図。(b、 d)6 行の幅12の典型的な C60ストライプの平面図と側面図。この図は、12から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
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Discussion
このプロトコルで説明する方法は、熱蒸着有機資材など高蒸気圧のため設計されています。これらのテクニックは、熱処理し同様に分子の蒸発をサポートできるサンプルの調製区域がある超高真空システムと統合できます。この特定の実験の目的は C60分子グラフェン基板と研究を入金する、C60と熱効果の自己集合。
このメソッドの利点は、スピン コーティングのような他の薄膜を作製する方法と比較すると超きれいなサンプルを提供することです。化学気相成長法 (CVD) のようなより複雑な技術と比較して、この物理的な熱蒸発がより簡単に実現、安定した原子・分子の蒸着に適しています。原子・分子分解能イメージングは、C60/graphene ハイブリッド ナノ構造を観察する必要があります。STM は、この博覧会で使用されます。脱ガスと前もって熱処理プロセス全体で高真空を維持することによって基板と堆積中 C60ソースの純度を維持するために重要です。この手法を悪用 C60表面移動様々 な温度条件下での変数の性質として、適切な成膜後のアニールは 1 D ・擬 1 次元ナノ構造を取得する重要です。
STM 測定は、物理的な熱蒸着法により合成された C60/graphene サンプル アトミック クリーンであることを示します。読み込みロックでスペースはかなり短時間で超高真空を達成するために非常に制限する設計されています。分子蒸着は、自家製クヌーセンセルが必要になるような小さなスペースで完了する必要があります。自家製クヌーセン セル蒸発器は、ロードロック室でマウントされているし、焼くことができる個別に、また分子を変更するまたは蒸発器12を補充のために有用であります。CF フランジ付け電源フィードスルーによって決定される、この自家製クヌーセンセルの最高の成膜温度は 450 ° C です。ドガの自家製クヌーセンセル C60 270 ° c. で蒸着時の純度を保証する 300 ° c で C60ソースすることが重要また、沈着の初めにクリーンな状態でされるように分子蒸着の直前にグラフェン基板をアニールすることが重要です。バイナリ システムは、最初の 1 つの反対側に 1 つより多く自家製クヌーセン セル蒸発を追加することによって実現できます。
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Disclosures
何を開示する必要があります。
Acknowledgments
この作品は、W911NF-15-1-0414 グラントの下米国陸軍研究局によってサポートされます。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| CF Flanged power feedthrough | Kurt J. Lesker | EFT0042033 | |
| Copper sheets | Alfa Aesar | 7440-50-8 | |
| Thermocouple chromel/alumel wires | Omega Engineering | ST032034/ST080042 | |
| Tungsten wires | Alfa Aesar | 7440-33-7 | |
| Stainless steel rods | McMaster-Carr | 95412A868 | |
| Copper wires | McMaster-Carr | 8873K28 | |
| Hollow copper rods | McMaster-Carr | 7190K52 | |
| C60 | MER Corporation | MR6LP |
References
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