Microscopische visualisatie van poreuze nanografenen gesynthetiseerd door een combinatie van oplossings- en oppervlaktechemie

De combinatie van chemie op het oppervlak en chemie op het oppervlak brengt nieuwe op koolstof gebaseerde materialen in ons leven. Moderne beeldvormingstechnieken zoals scanning tunneling microscopie of atoomkrachtmicroscopie bieden gedetailleerd inzicht in de structuur, samenstelling en eigenschappen van nieuw ontworpen en gesynthetiseerde verbindingen tot op enkele atomen. Begin met het spoelen van het gouden monokristal door het volledig onder te dompelen in de laboratoriumbeker gevuld met aceton en bedek het glazen bekerglas met Parafilm.

Reinig het monster vervolgens gedurende vijf minuten in de ultrasone wasser. Monteer het gouden monokristal op de monsterhouder en ontlucht de belastingvergrendeling. Breng het monster over naar het UHV-systeem om het gedurende enkele uren te verwarmen tot boven de 100 graden Celsius.

Gloei het monster gedurende 15 minuten op 450 graden Celsius met behulp van de weerstandsverwarmer die in de voorbereidingskamer is gemonteerd. Regeling van de temperatuur met het thermokoppel type K.Nadat u het pistool met fosfor hebt gekalibreerd, oriënteert u het monster en stelt u de afstand tussen het pistool en het monster in op 50 millimeter. Sputter tijdens het gloeien het monster met argonionen.

Vergeet niet de ionenpomp en sublimatiepomp uit te schakelen voordat u de gasklep opent. Voer monstersputteren uit met behulp van het ionenpistool, gericht op een hoek van 45 graden ten opzichte van het monsteroppervlak, met de gasdruk ingesteld op vijf bij 10 stralen tot het vermogen minus zeven millibar. Controleer na het voltooien van reinigingscycli de kwaliteit van het gouden 111-monster met STM.

Verplaats de Knudsen-cel terug en sluit de klep tussen de Knudsen-cel en de voorbereidingskamer voordat u de Knudsen-cel ontlucht. Vul de speciale kwartskroes met ongeveer één milligram van het moleculaire poeder en plaats de kroes op de juiste manier in de Knudsen-cel. Nadat u de Knudsen-cel op het ventiel bij de voorbereidingskamer hebt gemonteerd, pompt u deze naar beneden met de externe vacuümpomp.

Open het ventiel tussen de bereidingskamer en de Knudsen-cel pas als het is leeggepompt om besmetting van de voorbereidingskamer te voorkomen. Breng het schone goudmonster over van de microscoopkamer naar de voorbereidingskamer. Stel vervolgens het monster direct in lijn met de Knudsen-cel en stel de afstand tussen het monster en de verdamper in op 50 tot 100 millimeter.

Houd het monster weg van de Knudsen-cel om ongecontroleerde afzetting van het moleculaire materiaal te voorkomen. Schakel de Knudsen-cel in en stel de eerder gekalibreerde temperatuur in met een kwartsmicrobalans voor verdamping van moleculen. Zet de moleculen af door het monster naar de Knudsen-cel te draaien en houd het monster vier minuten in deze positie.

Draai het monster vervolgens weg van de Knudsen-cel en schakel de Knudsen-cel uit om de verdamping te stoppen. Gloei het monster met moleculen gedurende 15 minuten bij 320 graden Celsius en vervolgens gedurende 15 minuten tot 370 graden Celsius. Meet na elke gloeistap de steekproef door LTSTM gekoppeld aan AFM om de huidige fase van het experiment te onderzoeken en de aanwezigheid en het type van gegenereerde objecten te verifiëren.

Wanneer de vergrendeling is uitgeschakeld, benadert u het monsteroppervlak met de STM-tip. Voer eerst de koersbenadering uit met behulp van de Z-aandrijving. Observeer tijdens de nadering de STM-tip en het spiegelbeeld ervan met behulp van een camera.

Benader het monster verder in de tunnelafstand met behulp van de microscoopsoftware. Trek vervolgens de punt twee tot drie stappen van het oppervlak terug. Schakel de lock-in in en stel de lock-in-parameters in, zoals frequentie, amplitude en tijdconstante.

Bewaak het IT-signaal. Door de fase van de lock-in versterker te veranderen, minimaliseert u het IT-signaal rond nul. Benadering van de oppervlakte.

Kalibreer vervolgens de DIDV op een schoon gouden 111-oppervlak door te zoeken naar de positie en vorm van de Shockley-oppervlaktetoestand. Stel voor DIDV-toewijzing de lage waarde van de scansnelheid in. Nadat het monster in de microscoop is afgekoeld, opent u de klep gedurende 1,5 minuut en stelt u de koolmonoxidedruk in op vijf bij 10, verhoogd tot het vermogen min acht millibar.

Controleer het voorbeeld onder STM. Wanneer de punt van metaal is, vertonen de koolmonoxidemoleculen op het gouden oppervlak een specifiek contrast. Om een enkel molecuul op te pakken, plaatst u de punt boven het koolmonoxidemolecuul en trekt u de punt minstens 0.3 nanometer terug.

Verhoog de spanning tot drie volt voordat u de punt terugbrengt naar de vooraf gedefinieerde positie. De abrupte verandering in de I-waarde geeft het manipulatieproces van de koolmonoxide-opname aan. Controleer of het STM-contrast van het CO-molecuul is veranderd.

De afbeelding toont het typische uiterlijk dat is opgenomen bij 0,5 volt en 15 picoampère. Na het uitvoeren van de STM-scan, kiest u het gescheiden enkele molecuul voor NC-AFM-metingen. Zoek een goed Z-vlak evenwijdig aan het molecuulvlak.

Trek de punt ongeveer 0.7 nanometer van het oppervlak terug en schakel de STM-lus uit. De microscoop is klaar om NC-AFM metingen te starten. De eerste stap van cyclo-dehydrogenering wordt bereikt door moleculaire precursoren te gloeien bij 320 graden Celsius, wat resulteert in geïsoleerde moleculaire propellers.

De niet-vlakke conformatie van de moleculen kan worden afgeleid uit hun STM-uiterlijk met drie waarneembare heldere lobben. De uiteindelijke cyclo-dehydrogenering levert anilineporiën op en wordt bereikt wanneer het monster wordt verwarmd tot 370 graden Celsius, wat resulteert in een moleculair mengsel met enkele entiteiten die één, twee of drie ingebedde poriën bevatten. De gedetailleerde structurele karakterisering wordt verkregen door bond-opgeloste NC-AFM-metingen, die de aanwezigheid van trigonale poreuze nanografeen aantonen.

De centrale fenylring bevindt zich dichter bij het gouden oppervlak. Het uiterlijk van het nanografeen suggereert dat de structuur een niet-vlakke conformatie aanneemt, vanwege de sterische interacties tussen waterstofatomen in de anilineporiën. De single point STS en ruimtelijke STS-mapping bieden een ongekend inzicht in de eigenschappen van de nanoschaalobjecten met submoleculaire resolutie.

De resonantie die is geregistreerd bij min 1,06 volt kan worden gekoppeld aan de hoogste bezette moleculaire orbitaal, terwijl die welke wordt verkregen bij 1,61 volt wordt gedomineerd door de laagste onbezette moleculaire orbitaal. De synthese op het oppervlak maakt de weg vrij voor onze laagdimensionale anatomisch nauwkeurige systemen, zoals nanometrische moleculen, grafeenanilinebindingen en nieuwe koolstofallotropen. Het inspireert ook tot de ontwikkeling van op koolstof gebaseerd magnetisme of nieuwe functionele apparaten.