Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Voorbereiding van de Liquid-geëxpandeerd Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets met gecontroleerde grootte en dikte: A State of the Art Protocol

13.5K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/54806

⸱

20 december 2016

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

In dit artikel

Samenvatting

Een protocol voor het vloeibare afschilfering van gelaagde materialen nanosheets, wordt hun grootte selectie en maat opmeten door microscopische en spectroscopische technieken gepresenteerd.

Samenvatting

We beschrijven recente vorderingen in de productie van vloeistof-exfoliërde overgangsmetaal dichaalcogenide (TMD) nanosheets met gecontroleerde grootte en dikte. Gelaagde kristallen van molybdeendisulphide (MoS2) en wolfraamdisulphide (WS2) worden geëxfolieerd in aqueuze oppervlakteactieve stofoplossing door sonicatie. Dit levert zeer polydisperse mengsels op die nanosheets bevatten met brede grootte- en dikteverdelingen. Voor de meeste doeleinden zijn echter specifieke grootten (in termen van zowel laterale dimensie als dikte) vereist. Bijvoorbeeld, grote en dunne nanosheets zijn gewenst voor (optoe) elektronische toepassingen, terwijl lateraal kleine nanosheets interessant zijn voor katalytische toepassingen. Daarom is post-exfoliatie grootteselectie een belangrijke stap die we hier behandelen. We geven een gedetailleerd protocol voor de efficiënte grootteselectie in grote hoeveelheden door middel van vloeistof cascade centrifugatie en de grootte- en dikte kwantificering door statistische microscopische analyse (atomaire krachtmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie). De vergelijking van MoS2 en WS2 toont aan dat beide materialen op een vergelijkbare manier door dezelfde procedure op grootte worden geselecteerd. Belangrijk is dat de dispersies van grootte-geselecteerde nanosheets systematische veranderingen vertonen in hun optische extinctiespectra met grootte door rand- en beperkingseffecten. We laten zien hoe deze optische veranderingen kwantitatief gerelateerd zijn aan de nanosheets dimensies en beschrijven hoe de gemiddelde nanosheets lengte en laagnummer betrouwbaar uit de extinctiespectra kunnen worden geëxtraheerd. Het exfoliatie- en grootteselectieprotocol kan worden toegepast op een breed scala van gelaagde kristallen zoals we eerder hebben aangetoond voor grafeen, galliumsulfide (GaS) en zwart fosfor.

Inleiding

De mogelijkheid om tweedimensionale (2D) kristallen produceren en verwerken grafeen over met de vloeistoffase maakt ze veelbelovende materialen voor een steeds groeiend aantal toepassingen composietmaterialen, sensoren, in energieopslag en conversie en flexibel (opto) elektronica. 1-6 Een 2D nanomaterialen in toepassingen zoals deze zullen goedkope en betrouwbare inkten met on-demand laterale grootte en dikte van de nanoschaal bestanddelen, alsmede gecontroleerde rheologische en morfologische eigenschappen ontvankelijk voor industriële schaal printing / coating processen vereisen benutten. 7 In dit verband heeft fase exfoliatie vloeistof een belangrijke productietechniek die toegang geeft tot een hele reeks van nanostructuren in grote hoeveelheden te worden. 6,8,9 Bij deze methode sonicatie of afschuiving van gelaagde kristallen in vloeistof. Indien de vloeistof geschikt is gekozen (bijv geschikte oplosmiddelen of oppervlakte) de nanosheets zal stabilized tegen reaggregation. Talloze toepassingen en proof-of-principle inrichtingen zijn aangetoond door dergelijke technieken. 6 Waarschijnlijk het grootste kracht van deze strategie zijn veelzijdigheid talrijke gelaagde ouder kristallen kunnen worden geëxpandeerd en verwerkt op dezelfde wijze toegang tot een breed palet aan materialen die kunnen worden aangepast aan de gewenste toepassing.

Ondanks deze recente vooruitgang, de verkregen polydispersiteit die ontstaat als gevolg van deze vloeibare fase productiemethoden (qua nanosheet lengte en dikte) presenteert nog een bottleneck in het realiseren van hoogwaardige apparatuur. Dit is voornamelijk omdat de ontwikkeling van nieuwe en innovatieve size selectietechnieken tot dusverre vereiste nanosheets lengte en dikte karakterisatie gebruik vervelend statistische microscopie (atomic force microscopie, AFM en / of transmissie-elektronenmicroscopie, TEM).

Ondanks deze uitdagingen, Several centrifugatie technieken zijn gerapporteerd lengte en dikte sortering bereiken. 6,10-13 De eenvoudigste scenario homogeen centrifugeren, waarbij de dispersie gecentrifugeerd bij een gegeven centrifugale versnelling en het supernatant wordt gedecanteerd voor analyse. Het centrifugeren snelheid stelt de grootte cut-off, waarbij de hoger de snelheid, hoe kleiner de nanosheets in de bovenstaande vloeistof. Deze techniek lijdt aan twee grote nadelen; Ten eerste, wanneer grotere nanosheets worden geselecteerd (dat wil zeggen de dispersie gecentrifugeerd bij lage snelheid en de supernatant wordt gedecanteerd) Alle kleine nanosheets ook in het monster achterblijven. Ten tweede, ongeacht de centrifugeersnelheid, een aanzienlijk deel van het materiaal de neiging te worden verspild in het sediment.

Een alternatieve strategie voor grootte selectie dichtheidsgradiënt (of isopycnische) centrifugeren. 11,14 In dit geval wordt de dispersie geïnjecteerd in een centrifugebuis containing een dichtheidsgradiënt medium. Tijdens ultracentrifugatie (gewoonlijk> 200.000 xg), wordt een dichtheidsgradiënt gevormd en de nanosheets naar het punt in de centrifuge waar hun opwaartse dichtheid (dichtheid inclusief stabilisator en oplosmiddel shell) overeenkomt met de dichtheid van de gradiënt. Merk op dat de nanomateriaal ook opwaartse verschuiving tijdens dit proces (afhankelijk van waar het werd geïnjecteerd). Zo worden de nanosheets daadwerkelijk dikte gesorteerd op plaats massa (in tegenstelling tot homogeen centrifugatie). Hoewel deze procedure biedt een unieke kans om nanosheets sorteren op dikte, het lijdt aan opmerkelijke nadelen. Bijvoorbeeld, de opbrengsten zijn zeer laag en op dit moment niet mogelijk voor de massaproductie van gescheiden nanosheets. Dit is deels te maken met lage gehalten aan monolagen op voorraad dispersies na vloeistof-peeling en kan mogelijk worden verbeterd door het optimaliseren van afschilfering procedures in de toekomst. Bovendien is meestal een tijdrovende meertrapsultracentrifugatie proces waarbij meerdere iteraties efficiënte grootte selectie te bereiken. Bovendien in het geval van anorganische nanomaterialen, wordt beperkt tot polymeer gestabiliseerde dispersies om de vereiste drijfvermogen dichtheden en het verloop medium in de dispersie kan interfereren met verdere verwerking.

We hebben onlangs aangetoond dat een procedure die wij term vloeistof cascade centrifugeren (LCC) biedt een spannend alternatief, 13, zoals wij ook detail in dit manuscript. Dit is een meerstaps procedure die zeer veelzijdig is waardoor verschillende cascades worden ontworpen volgens het gewenste resultaat. Om dit proces te demonstreren, wordt een standaard cascade afgebeeld in figuur 1 en bestaat uit meerdere centrifugatiestappen waarbij elk heeft een hogere snelheid dan de laatste. Na elke stap wordt het sediment bewaard en de supernatant wordt vervolgens gebruikt in de procedure fase. Daardoor elk sediment bevat nanosheets in een bepaaldeorde van grootte die zijn "gevangen" tussen twee centrifugeren met verschillende snelheden; de onderste verwijderen groter nanosheets in de vorige sediment terwijl de hogere snelheid verwijdert de kleinere nanosheets in de supernatant. Kritische LCC kan het verkregen sediment volledig gedispergeerd door zachte sonicatie in het respectieve medium, in dit geval waterig natriumcholaat H 2 O-SC (SC bij concentraties zo laag als 0,1 g L -1). Het resultaat is dispersies met vrijwel elke gewenste concentratie. Belangrijker is vrijwel geen materiaal verspild LCC, waardoor de verzameling van relatief grote massa van massageselecteerde nanosheets. Zoals hier getoond, hebben wij deze toegepast op een aantal vloeistof geëxpandeerd nanosheets zoals MoS2 en WS2 en gas-, 15 zwart fosfor 16 en 17 grafeen zowel oplosmiddel en oppervlakteactieve systemen.

Deze unieke centrifugeren procedure kan de efficiënte grootte-selectie van de vloeistof geëxpandeerd nanosheets en is vervolgens in staat een aanzienlijke verbetering in termen van hun grootte en dikte vastberadenheid. Met name door deze methode, zoals gedemonstreerd dat eerder optische extinctie (en absorptie) spectrum van de nanosheets systematisch veranderen functie van zowel nanosheets laterale afmetingen en nanosheets dikte. Als we hier Samenvattend heeft deze konden we de nanosheet spectrale profiel (specifiek de intensiteitsverhouding op twee posities van het verdwijnen spectrum) verbinden met de gemiddelde lengte nanosheet als gevolg van randeffecten nanosheet. 12,13 Belangrijk kan dezelfde vergelijking worden gebruikt om de grootte van MoS2 en WS2 kwantificeren. Verder laten we zien dat de A-exciton positie verschuift naar lagere golflengten als functie van de gemiddelde dikte nanosheet door Opsluitingsfenomenen. Hoewel afschilfering, evenals grootte selectie en bepaling zijn algemeen vrij robust procedures, de kwantitatieve resultaat is afhankelijk van subtiliteiten in het protocol. Echter, vooral voor nieuwkomers in het veld, is het moeilijk om te beoordelen welke procesparameters meest relevant zijn. Dit komt neer op het feit dat experimentele gedeelten onderzoekspapieren geven slechts een ruwe protocol, zonder op welk resultaat te verwachten bij het wijzigen van de procedure of het geven van een rationele achter het protocol. In deze bijdrage willen we deze pakken en een gedetailleerde gids en discussie de productie van vloeibare afgeschilferde nanosheets van gecontroleerde grootte, en voor de nauwkeurige bepaling van de grootte door een statistische microscopie of analyse van de spectra uitsterven. Wij zijn ervan overtuigd dat dit zal helpen om de reproduceerbaarheid te verbeteren en hopen dat het een nuttige gids voor andere experimentalists op dit onderzoeksgebied zijn.

figure-introduction-1
FiguAd 1: Schema van de grootte selectie door vloeistof cascade centrifugeren. -Size geselecteerde nanosheets worden verzameld als sedimenten. Elk sediment verzameld of "gevangen" tussen twee snelheden centrifugatie (ω) uitgaande van lage snelheden en naar hogere die van stap tot stap. Het sediment weggegooid na de eerste centrifugeren bevat unexfoliated gelaagde kristallieten terwijl het supernatant weggegooid na de laatste centrifugeren stap bevat zeer klein nanosheets. Op grootte geselecteerde dispersies bereid door het opnieuw dispergeren van de verzamelde afzettingen in hetzelfde medium (hier waterige oppervlakte-actieve oplossing) bij verminderde volumes. Aangepast met toestemming van 13. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Liquid Peeling - bereiding van geschikte Stock dispersies

  1. Monteer een metalen beker onder een sonotrode in een ijsbad.
  2. Dompel 1,6 g van het TMD poeder in 80 ml waterige oplossing van natriumcholaat (SC) surfactant (natriumcholaat concentratie C SC = 6 g L -1) in de metalen kom.
  3. Verplaats de sonische top naar de bodem van de metalen bus en vervolgens door ~ 1 cm. Wikkel aluminiumfolie rond de sonische sonde om morsen te voorkomen.
  4. Ultrasone trillingen het mengsel onder ijskoeling met probe sonicatie verhitting voorkomen toepassing van een vaste platte tip (750 W processor) gedurende 1 uur bij 60% amplitude (puls van 6 s aan en 2 s uit).
  5. Centrifugeer de dispersie met een centrifugeersnelheid van 2660 g gedurende 1,5 uur. Verwijder het supernatant bevattende onzuiverheden en laat het sediment in 80 ml vers surfactansoplossing (C SC = 2 g L -1).
    OPMERKING: Gebruik maximale vulling hoogten in de centrifuge buizen van maximaal 10 cm. Otherwise, verhoging van het centrifugeren tijd.
  6. Het aldus dispersie een tweede, langere sonicatie met de vaste platte tip 5 uur bij 60% amplitude (puls van 6 s aan en 2 s uit) onder koelen met ijs. Vervang het ijsbad om de 2 uur, terwijl het pauzeren van de geluidsgolven.

2. Nanosheet Size Selection door Liquid Cascade Centrifugeren

OPMERKING: Om nanosheets selecteren op grootte, vloeistof cascade centrifugeren met achtereenvolgens toenemende centrifugale versnelling wordt toegepast (zie figuur 1). De volgende procedure wordt aanbevolen als standaard grootte selectie van de cascade in het geval van TMD. Voor andere materialen kan centrifugeren snelheid moeten worden aangepast.

  1. Verwijderen unexfoliated poeder door centrifugatie bij 240 xg (1,5 krpm), 2 h. Gooi het sediment.
  2. Centrifugeer de supernatant bij een hogere centrifugale versnelling: 425 xg (2 krpm), 2 h. Verzamel het sediment in zoet surfactant kleiner volume (3-8 ml).
  3. centrifuge desupernatant bij nog hogere centrifugale versnelling: 950 xg (3 krpm), 2 h. Verzamel het sediment in zoet surfactant kleiner volume (3-8 ml).
  4. Herhaal deze procedure met de volgende centrifugale versnellingen: 1700 xg (4 krpm), 2650 xg (5 krpm), 3500 XG (6 krpm), 5500 XG (7,5 krpm) en 9750 xg (10 krpm).

3. Bepaling van Nanosheets grootte en dikte van de statistiek Microscopy

LET OP: Als spectroscopische metrics zijn reeds beschikbaar, kan punt 3 worden overgeslagen of verlaagd, dat wil zeggen, niet uit voor elk monster.

  1. Lengte: transmissie elektronenmicroscoop (TEM)
    1. Afzetting
      1. Verdun de hoge concentratie dispersies met water (de concentratie oppervlakteactieve stof te verminderen) zodat ze licht van kleur. Drop gegoten op een rooster (bijvoorbeeld essen carbon, 400 mesh) geplaatst op een filter membraan lont weg overmaat oplosmiddel.
    2. Imaging
      1. Record meerdere images op verschillende posities op het raster. Stel het gezichtsveld afhankelijk nanosheet grootte. Voor een uitgebreide TEM beeldvorming zelfstudie, zie referentie 18.
    3. Statistische lengte analyse uitgevoerd met behulp van ImageJ
      1. Open de ImageJ software, selecteert u het relevante TEM via het menu "file" en het beeld "open". De afbeelding wordt geopend in een nieuw venster.
      2. Klik op het tabblad "analyseren". Selecteer "set schaal" uit het drop down menu. Een nieuw venster wordt geopend. Klik op "verwijderen schaal", vink "globale" en klik op "ok".
      3. Selecteer het gereedschap "lijn". Trek een lijn profiel langs de lengte van de schaal bar imago van de TEM van.
      4. Klik op "analyseren". Selecteer "set schaal" uit het drop down menu. Voer de lengte van de schaal bar in nm in het vak "bekende afstand" en klik op "ok".
        NB: De afstand van de getekende op de schaal bar lijn wordt weergegeven in pixels.
      5. Selecteer het gereedschap "lijn" en meet de nanosheet lengte door het tekenen van een lijn profiel van de langste as van de nanosheet.
      6. Druk op de "control + M" te meten. Een nieuwe doos met het label "resultaten" opent met de nanosheet lengte weergegeven in de kolom "lengte".
      7. Herhaal stap 3.1.3.6 voor alle afzonderlijk gedeponeerd nanosheets (niet samengevoegd zijn) in het beeld.
      8. Bij het openen van een nieuw beeld, herhaalt u de stappen 3.1.3.3- 3.1.3.7. Tel de lengte van 150 nanosheets.
        LET OP: Alle nanosheet lengte gegevens worden verzameld in het venster "resultaten" en in andere programma's voor verdere verwerking kunnen worden gekopieerd.
  2. Dikte: Atomic Force Microscopy (AFM)
    1. Verdun de dispersie zodat bijna transparant voor het menselijk oog zijn (overeenkomend met uitsterven intensiteit idealiter ~ 0,2 per 1 cm weglengte bij 400 nm). Bij oppervlakteactieve dispersies, verdunnen met water niet oppervlakteactieve.
    2. Laten vallen-werpen op voorverwarmde wafers. Voor op water gebaseerde dispersie, verwarm de wafer tot ~ 170 ° C op een hete plaat en de aanbetaling van 10 pi per 0,5 x 0,5 cm 2 wafer.
    3. Spoel de plakken grondig met een minimum van 5 ml water en 3 ml 2-propanol om achtergebleven oppervlakteactieve stof en andere verontreinigingen te verwijderen.
    4. Scannen en opslaan meerdere beelden over het monster bij de AFM in te tikken mode. Voor kleine nanosheets gebruik maken van een resolutie van 512 lijnen per beeld en groottes van maximaal 2 x 2 pm 2. Voor monsters met grotere nanosheets, verhoging van de zichthoek maximaal 8 x 8 urn 2. Gebruik scan tarieven zo nodig (typisch 0,4-0,7 Hz). Als alternatief, scannen grotere gebieden met een hogere resolutie.
    5. Dikte meting met behulp van Gwyddion Software
      1. Open de software en selecteer de relevante afbeelding AFM via "file" en "open". De afbeelding wordt geopend in een nieuw venster.
      2. Corrigeer de achtergrond met behulp van het "level data door gemiddelde vlak subtraction "" align rijen "en" correct horizontale littekens "in het hoofdstuk" Data-proces "van het hoofdmenu. Breng de correcties, verander het beeld kleur voor een beter contrast door met de rechtermuisknop te klikken op de legende en stel z-vliegtuig naar nul.
      3. Zoom in de regio van uw keuze (indien geschikt). Klik op de "crop" tool in het hoofdmenu. Sleep de cursor over het beeld om het gebied van de keuze te markeren. Druk op "toepassen". Controleer de "nieuwe kanaal" om de geselecteerde regio te openen in een nieuw venster.
      4. Selecteer "extract profielen" in het menu Extra. Een nieuw venster wordt geopend.
      5. Trek een lijn over de nanosheet. Noteer de dikte in een tabel. In het geval van niet-homogeen dik nanosheets, het gemiddelde van de dikte over de nanosheet. Wees uiterst voorzichtig om alleen individueel gedeponeerd en niet-geaggregeerde nanosheets meten.
      6. Herhaal dit 3.2.5.3-3.2.5.5 voor alle nanosheets op de afbeelding.
      7. Herhaal dit 3.2.5.1-3.2.5.6 voor alle images opgenomen. Count minimum 150 nanosheets.
  3. Conversie van AFM dikte laag getal
    OPMERKING: Schijnbare AFM opbouwhoogte vloeibare afgeschilferde nanomaterialen gewoonlijk overschat door de aanwezigheid van achtergebleven oplosmiddel. Bovendien nauwkeurige hoogtemetingen inhomogene monsters (zoals nanomaterialen afgezet op substraten) met AFM algemeen moeilijk door bijdragen van effecten zoals capillaire krachten en adhesie die afhankelijk van het materiaal en meetparameters. 19,20 Om deze problemen te overwinnen en de schijnbare gemeten AFM dikte converteren naar het aantal lagen, een procedure genaamd tredehoogte analyse werd ontwikkeld zoals hieronder beschreven. 12,13,16,21. Stappen 3.3.1-3.3.4 kan worden overgeslagen als de hoogte stap bekend is.
    1. Open, correct en bijsnijden imago van de AFM, zoals beschreven in 3.2 tot een nanosheet met duidelijk waarneembare terrassen te selecteren.
    2. Meet de hoogte over denanosheet met behulp van de "uit te pakken" profiel tool.
      OPMERKING: Geschikte profielen tonen discrete stappen die in figuur 2B inzet.
      1. Noteer de hoogte van deze stappen (dwz het hoogteverschil van het ene terras naar de volgende op de nanosheet).
    3. Graaf ten minste 70 van deze stappen.
    4. Zet de stap hoogte in oplopende volgorde (figuur 2C).
      LET OP: Let op dat voor TMD de schijnbare instaphoogte is altijd een veelvoud van ~ 1.9 nm.
    5. Verdeel de schijnbare AFM dikte (gemeten zoals beschreven in paragraaf 3.2) met 1,9 nm aan de laag nummer te verkrijgen.
      OPMERKING: Andere materialen hebben andere instaphoogte conversie factoren die een andere kalibratie.

4. Bepaling van MoS 2 en WS 2 grootte en dikte Gebaseerd op Extinction Spectra

  1. spectra overname
    1. Verdun de hoge concentratie monsters met onderscheidenlijkve medium (hier waterig natriumcholaat, 2 g L -1) tot uitsterven onder de 2 opleveren over het gehele spectrum.
    2. Stel de stappen van de spectrale overname tot 0,5 nm in het instrument instellingen of gebruik scansnelheid langzaam of medium.
    3. Kies de instellingen "aftrekken basislijn" in het instrument instellingen. Plaats de cuvette met de waterige natriumcholaatoplossing in het monstercompartiment van de spectrometer en laat de meting.
    4. Verwijder de cuvet met de natriumcholaatoplossing van de spectrometer en maak dit leeg. Vul het monster, plaatst u het monster in de steekproef compartiment van de spectrometer en uitvoeren van een scan van het monster.
  2. Lengte bepaling van de intensiteit ratio's
    1. Optie 1: Lezen van de intensiteit op de A-exciton, Ext A (~ 660 nm voor MoS 2 en 620 nm voor WS 2) en het lokale minimum Ext min (345 nm voor MoS 2 en 295 nm voor WS 2). Verdelende intensiteit van de A-exciton door de intensiteit van het lokale minimum de intensiteitsverhouding Ext A / Ext min verkrijgen.
    2. Bepaal de gemiddelde lengte nanosheet, met behulp van vergelijking 1.
      figure-protocol-1 (Vgl. 1)
      wanneer Ext A / Ext min is de intensiteitsverhouding van de extinctie bij de A-exciton (Ext A) en het lokaal minimum (Ext min).
      LET OP: De vergelijking geldt voor zowel MoS 2 en WS 2. Echter, is de nauwkeurigheid beperkt vooral voor kleine nanosheets.
    3. Optie 2: Bepaal de intensiteitsverhouding van het lokale maximum in het UV gebied van het spectrum, Ext Max-HE (270 nm voor MoS 2 en 235 nm voor WS 2) en het lokale minimum, Ext min (345 nm voor MoS 2 en 295 nm voor WS 2)
    4. Bepaal de gemiddelde nanosheet lengte, met behulp van vergelijking 2.
      Vergelijking 2 (Vgl. 2)
      Met Ext max-HE aanduiding van de intensiteit bij de lokale maximum bij hoge energie (270 nm voor MoS 2 en 235 nm voor WS 2) en Ext min het uitsterven intensiteit op lokaal minimum (345 nm voor MoS 2 en 295 nm voor WS 2 ).
      OPMERKING: Optie 2 geeft een nauwkeurige meting van de laterale omvang. Echter de hoge energie regio niet beschikbaar in alle oplosmiddelen / oppervlakteactieve stof.
  3. Concentratie
    1. Noteer de extinctie intensiteit ten opzichte van 1 cm weglengte bij 345 nm voor MoS 2 en 235 nm voor WS 2 resp.
      LET OP: Verdeel de geregistreerde gemeten uitsterven door de weglengte van de cuvet.
    2. Verdeel deze intensiteit door de extinctie coëfficiënten van 68 Lg -1 cm -1 bij 345 nm voor MoS 2 en 47 Lg -1 cm -1 bij 235 nm voor WS 2 om de nano's te verkrijgenheet concentratie in gL -1.
  4. Dikte bepaling van A-exciton positie
    1. Bereken de tweede afgeleide van het spectrum.
      1. Met behulp van de data-analyse en grafische software (bv OriginPro), selecteert u de kolom die het uitsterven intensiteit. Klik op het tabblad "analyse", selecteer "wiskunde" uit het drop down menu en "open dialoog" "differentiëren",. Een nieuw venster wordt geopend. Stel de afgeleide om 2 en druk op OK.
    2. Strijk de tweede afgeleide van Aangrenzend Middelingstijd (~ 10-20 punten per venster in A-exciton regio).
      1. Bijvoorbeeld met behulp van de data-analyse en grafische software, plot de tweede afgeleide spectrum.
        1. Met het grafische venster actief is, klikt u op "analyse" en kies "signaalverwerking", dan dan "open dialoog" uit het drop down menu "glad". Een nieuw venster wordt geopend.
        2. Kiezen4; Aangrenzende Middelingstijd "als smoothing methode en zet de punten tot en met 20.
        3. Zet de resulterende afgevlakte spectrum dat wordt weergegeven als nieuwe kolommen. Als het geluid is nog steeds hoog, herhaalt u de smoothing.
          OPMERKING: Meestal wordt spectrale afvlakking nodig is om het lawaai te verminderen, tenzij hoge keer integratie tijdens de meting worden gebruikt. Passende afvlakking is een belangrijk onderdeel van de data-analyse en de juiste afvlakkingsmethode afhankelijk van het gewenste resultaat. Deze bijzondere egalisatie methode is alleen geschikt voor de gemiddelde piekpositie bepalen. 13
    3. Lees-off van de piek positie van de tweede afgeleide. Dit is de golflengte van de A-exciton, λ A. Als alternatief, het uitvoeren van de stappen in 4.4.4-4.4.7 beschreven.
    4. Zetten de x-as van golflengte energieverbruikende de relatie:
      E (eV) = 4.135E-6 * 2.997E8 / λ (nm)
    5. Breng de tweede afgeleide naar de tweede afgeleide van een Lorentzian.
      OPMERKING: Een Lorentz kan worden geschreven als
      figure-protocol-3 (Vgl. 3)
      Waarin h de hoogte E '0 is het midden en w de FWHM. Differentiatie tweemaal met betrekking tot E geeft
      figure-protocol-4 (Vgl. 4)
      1. In de data-analyse en grafische software, kies "instrumenten" in het hoofdmenu en selecteer "passende functie builder". Een nieuw venster wordt geopend.
      2. Selecteer "maak een nieuwe functie", klik op Volgende.
      3. Laat de standaardinstellingen, geef de functie een naam en klik op Volgende.
      4. Set "h, E, w" als parameters, klik op Volgende.
      5. Enter "(-8 * h / w ^ 2) * (1-3 * (2 * (Ex) / w) ^ 2) / (1 + (2 * (Ex) / w) ^ 2) ^ 3" of functie lichaam, klik op voltooien.
      6. Plot alleen de A-exciton gebied van het tweede afgeleide spectrum op energieschaal.
      7. Met degrafisch venster actief is, klikt u op het tabblad "analyse". Kies "passend", "niet-lineaire curve fit", "open dialoog" uit het drop down menu. Een nieuw venster wordt geopend.
      8. Selecteer "door de gebruiker gedefinieerde" in de categorie en kies de eerder ingebouwde functie in de functie doos. In het tabblad "parameters" set beginwaarden voor w tot 0,1, en E 1,99 voor WS 2 en 1,85 voor MoS 2. Druk op de "fit"
    6. De energiewaarden E '0, die de energie van de A-exciton, E' A.
    7. Bepaal het aantal lagen volgens vergelijkingen 5 (MoS 2) en 6 (WS2).
      figure-protocol-5 (Vgl. 5, MoS 2)
      figure-protocol-6 (Vgl. 6, WS 2)
      λ met een aanduiding van de golflengte van de A-Exciton en L aanduiding van de energie van de A-exciton.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Vloeistof cascade centrifugatie (figuur 1) is een krachtige techniek om vloeistof geëxpandeerd nanosheets grootte en dikte sorteren zie figuur 2 zowel MoS2 en WS2. Nanosheet laterale formaten en diktes kan worden gekenmerkt door statistische TEM en AFM, respectievelijk. Een afbeelding typische AFM is weergegeven in figuur 2A. De schijnbare nanosheet dikte omgezet aantal laag behulp staphoogte analyse (Figuur...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

monstervoorbereiding

De hier beschreven monsters worden geproduceerd door tip sonicatie. Afschilfering alternatieve procedures kunnen worden gebruikt, maar zal leiden tot verschillende concentraties laterale afmetingen en maten van afschilfering. Hogere amplitudes en langer pulsen tijdens de ultrasoonapparaat moet worden vermeden om te voorkomen dat beschadiging van het ultrasoonapparaat. Vergelijkbare resultaten werden verkregen met 500 W processors. Echter, ultrasoonapparaat tijd en amplitude...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Het onderzoek dat tot deze resultaten heeft geleid, heeft financiering ontvangen van het Seventh Framework Program van de Europese Unie onder subsidieovereenkomst nummer 604391 Graphene Flagship. C.B. erkent de Duitse Onderzoeksstichting, DFG, onder subsidie BA 4856/2-1.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Sodium cholate hydrate, van os en/of schapen galSigma AldrichC1254-100GOplosmiddel dat wordt gebruikt als stabilisator in de vorm van een waterige oplossing (d.w.z. na het oplossen van het poeder in millipore water)
MoS2 poederSigma Aldrich69860-100GAndere distributeurs beschikbaar, maar exfoliatie en resultaat van grootte selectie kunnen variëren
WS2, poeder 2 μmSigma Aldrich243639-50GAndere distributeurs beschikbaar, maar exfoliatie en resultaat van grootte selectie kunnen variëren
ImageJ SoftwareOntwikkelaar: National Institutes of Health64-bit Java versie 2.45 1.6.0_24Beeldverwerkingssoftware gebruikt voor TEM analyse, gratis download
Gwyddion SoftwareOntwikkelaar: Czech Metrology Institute64-bit Java versie 2.45Beeldverwerkingssoftware gebruikt voor AFM analyse, gratis download
Origin Pro SoftwareOriginLabVersie 2016Software gebruikt voor gegevensanalyse zoals differentiatie en aanpassing van de extinctiespectra
CentrifugeHettichLabMikro 220Relke andere tafelcentrifuge is geschikt
Rotor 1HettichRotor 1016voor centrifugatie <5.000 x g
Rotor 2HettichRotor 1195-Avoor centrifugatie >5.000 x g

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Overgangsmetaal dichalcogenidenvloeistofexfoliatiecontrole van nanovlakgroottecascadecentrifugatieatoomkrachtmicroscopieoptische extinctiespectraanalyse van het aantal lagenprobe sonificatiestatistische microscopiebereiding van dunne films
Voorbereiding van de Liquid-geëxpandeerd Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets met gecontroleerde grootte en dikte: A State of the Art Protocol
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.