Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania hybrydowych nanostruktur C60/grafen poprzez fizyczne odparowanie termiczne. W szczególności odpowiednia manipulacja warunkami osadzania i wyżarzania pozwala na kontrolę nad tworzeniem struktur 1D i quasi 1D C60 na pofałdowanym grafenie.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Otrzymywanie i charakterystyka hybrydowych nanostruktur C60/grafen
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Fizyczne osadzanie termiczne w środowisku wysokiej próżni jest czystą i kontrolowaną metodą wytwarzania nowych nanostruktur molekularnych na grafenie. Przedstawiamy metody osadzania i pasywnej manipulacji cząsteczkami C60 na pofałdowanym grafenie, które naprzód dążenie do realizacji zastosowań obejmujących hybrydowe struktury 1D C60 / grafen. Techniki zastosowane na tej ekspozycji są ukierunkowane na systemy wysokiej próżni z obszarami preparacji zdolnymi do wspomagania osadzania molekularnego, a także wyżarzania termicznego próbek. Skupiamy się na osadzaniu C60 pod niskim ciśnieniem przy użyciu domowej roboty komórki Knudsena podłączonej do systemu skaningowej mikroskopii tunelowej (STM). Liczba zdeponowanych cząsteczek jest regulowana poprzez kontrolowanie temperatury komórki Knudsena i czasu osadzania. Jednowymiarowe (1D) struktury łańcuchowe C60 o szerokości od dwóch do trzech cząsteczek można otrzymać poprzez dostrojenie warunków doświadczalnych. Ruchliwość powierzchniowa cząsteczek C60 wzrasta wraz z temperaturą wyżarzania, umożliwiając im poruszanie się w obrębie okresowego potencjału pofałdowanego grafenu. Za pomocą tego mechanizmu możliwe jest kontrolowanie przejścia struktur łańcuchowych 1D C60 do sześciokątnej, ciasno upakowanej struktury w paski quasi-1D.
Wprowadzenie
Ten protokół wyjaśnia, jak osadzać i manipulować cząsteczkami C60 na grafenie, tak aby można było zrealizować struktury łańcuchowe 1D i quasi-1D C60. Techniki użyte w tym eksperymencie zostały opracowane w celu zaspokojenia potrzeby kierowania adsorbatów do pożądanych konfiguracji bez konieczności polegania na ręcznej manipulacji, która jest powolna i może wymagać dużego wysiłku. Opisane tutaj procedury opierają się na zastosowaniu systemu wysokiej próżni z obszarem przygotowania próbki zdolnym do wspomagania osadzania molekularnego i wyżarzania termicznego próbek. Do charakteryzowania próbek stosuje się STM, ale można zastosować inne techniki rozdzielczości molekularnej.
Termiczne odparowanie cząsteczek w komórce Knudsena to efektywny i czysty sposób na przygotowanie cienkich warstw. W tym protokole komórka Knudsena jest używana do odparowania cząsteczek C60 na podłoże grafenowe. Ten parownik ogniw Knudsena składa się głównie z rurki kwarcowej, żarnika grzewczego, przewodów termopary i przepustów1,2,3. Rurka kwarcowa służy do umieszczania cząsteczek, żarnik wolframowy podgrzewa cząsteczki w rurze kwarcowej za pomocą przyłożonego prądu, a druty termopary służą do pomiaru temperatury. W eksperymentach szybkość osadzania jest kontrolowana poprzez dostrojenie źródła temperatury w komórce Knudsena. Przewody termopary są przymocowane do zewnętrznej ścianki rurki kwarcowej i dlatego zazwyczaj mierzą temperaturę zewnętrznej ścianki, która nieznacznie różni się od temperatury wewnątrz komórki, w której znajduje się źródło molekularne. Aby uzyskać dokładną temperaturę w rurze kwarcowej, przeprowadziliśmy kalibrację przy użyciu dwóch konfiguracji termopar do pomiaru temperatur wewnątrz i na zewnątrz rurki i zarejestrowaliśmy różnicę temperatur. W ten sposób możemy dokładniej kontrolować temperaturę źródła podczas eksperymentów parowania molekularnego za pomocą przewodów termoparowych przymocowanych na zewnątrz rurki kwarcowej. Ponieważ niewielka ilość sublimowanych cząsteczek będzie znajdować się w fazie gazowej pod niższym ciśnieniem, gdy cząsteczki są odparowywane, zwykle następuje związana z tym zmiana ciśnienia. Dlatego uważnie monitorujemy zmianę ciśnienia w zamku ładunkowym.
Ten parownik może być używany do osadzania różnych źródeł molekuł, takich jak C60, C70, chlorek subftalocyjaniny boru, Ga, Al i Hg4,5,6,7,8. W porównaniu z innymi technikami przygotowania cienkich warstw, na przykład odlewaniem spinowym9,10,11, parowanie termiczne w wysokiej próżni jest znacznie czystsze i wszechstronne, ponieważ do osadzania nie jest wymagany rozpuszczalnik. Ponadto proces odgazowania przed osadzaniem poprawia czystość źródła, eliminując ewentualne zanieczyszczenia.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Przygotowanie domowej roboty komórki Knudsena
- Przygotowanie komponentów dla ogniwa Knudsena
- Kup przepust przepustowy CF z kołnierzem (2,75" CF, 4 piny ze stali nierdzewnej). Wywierć dwa gwintowane otwory przez przepust, w punktach przecięcia między jedną linią o średnicy 1.30" a jej obwodem.
- Przygotuj szklaną rurkę (średnica zewnętrzna 0.315" (OD), długość 2.50").
- Kup cienkie blachy miedziane (99,9%) o grubości 0,005". Przytnij jeden arkusz do wymiarów 7,5 cala dł. x 5,0 cala szer. za pomocą nożyczek, a następnie ręcznie zwiń go do pustej tarczy w kształcie kolumny o średnicy 1,45 cala (Rysunek 1a).
- Przygotuj termoparę typu K (chrom/alumel) o średnicy 0.005", przycinając długość 3" zarówno dla drutów chromowych, jak i aluminiowych. Oderwij warstwy izolatora o długości około 0.5 cala z obu końców obu przewodów.
- Przytnij drut wolframowy o średnicy 0.01 cala (99.95%) na długość około 60 cali. Zwiń go w kształt sprężyny o średnicy 0,315 cala, owijając go ciasno wokół pręta o porównywalnej średnicy szklanej rurki.
- Kup kawałek ceramiki. Przygotuj jeden odpowiedni kawałek prostopadłościanu z otworem pośrodku, który pasuje do wymiaru szkła (5 w Rysunek 1b).
- Przytnij 2 standardowe pręty z gwintem stalowym o średnicy 0,10 cala na długość 7 cali poprzez opasanie i piłowanie za pomocą tokarki.
- Wytnij miękki drut miedziany o średnicy 0,01 cala na około 30 cali długości za pomocą nożyczek.
- Przygotuj 4 puste pręty miedziane o średnicy zewnętrznej 0,094 cala, przycinając trzy pręty na długość 2 "i jeden pręt na długość 4" za pomocą bocznego noża.
- Złóż te elementy w komórce Knudsena
- Wyczyść wszystkie elementy wymienione w kroku 1.1 za pomocą czyszczenia ultradźwiękowego o częstotliwości 42 kHz w acetonie przez 30 minut.
- Zamontuj 2 standardowe stalowe pręty gwintowane w wywierconych otworach w kołnierzu CF przepustu prądowego.
UWAGA: Otwory są gwintowane (7 w Rysunek 1b). - Zamontuj dolną połowę 4 pustych prętów miedzianych w górnej części 4 kołków przepustu kołnierzowego CF, wkładając kołek do pustych prętów miedzianych i mocując je za pomocą bocznego noża (6 w Rysunek 1b).
- Zamontuj element ceramiczny w pozycji 2.5 cala wysokości od spodu prętów gwintowanych za pomocą miękkiego drutu miedzianego.
UWAGA: Ten element będzie podtrzymywał szklaną rurkę w następnym kroku (5 w Rysunek 1b). - Wsuń szklaną rurkę do zwiniętej sprężyny wolframowej. Wciśnij spód szklanej rurki do otworu w elemencie ceramicznym. Użyj miękkiego drutu miedzianego, aby przytrzymać górny koniec szklanej rurki do górnego końca prętów gwintowanych (3 i 4 w Rysunek 1b).
- Chwyć górny koniec sprężyny w dłuższym miedzianym pręcie, zdefiniowanym jako A. Chwyć dolny koniec sprężyny w jednym z krótszych prętów miedzianych, zdefiniowanych jako B (A i B w Rysunek 1b).
- Skręć ze sobą jeden oderwany koniec drutu chromowego i aluminiowego (2 w Rysunek 1b).
- Ustaw skręcony koniec złącza tak, aby ściśle dotykał zewnętrznego dna szklanej rurki. Unieruchom go za pomocą elementu ceramicznego.
- Chwyć drugi oderwany koniec drutu chromowego w jeden z lewych 2 krótszych prętów miedzianych, zdefiniowanych jako C. Chwyć drugi oderwany koniec drutu aluminiowego w lewy krótszy pręt miedziany, zdefiniowany jako D (C i D w Rysunek 1b).
- Umieść zwinięta miedzianą pustą osłonę kolumnową na przepustie kołnierzowym CF (Rysunek 1a).
2. Przygotuj źródło C60 w domowej roboty komórce Knudsena
- Załaduj źródło C60 do domowej roboty ogniwa Knudsena.
- Załaduj około 50 mg proszku C60 (czystość 99,5%) do szklanej probówki domowej roboty ogniwa Knudsen.
UWAGA: Precyzja powyżej 1 mg masy proszku nie jest konieczna. - Zamontuj ogniwo Knudsena z powrotem na jednej gałęzi zamka ładowania.
- Załaduj około 50 mg proszku C60 (czystość 99,5%) do szklanej probówki domowej roboty ogniwa Knudsen.
- Przepompuj blokadę obciążenia.
- Włącz pompę dla blokady obciążenia. Najpierw włącz zawór wody do chłodzenia pompy turbo, a następnie włącz wentylator, aby schłodzić pompę mechaniczną. Następnie włącz pompę mechaniczną i na koniec włącz pompę turbo.
- Sprawdź ciśnienie w zamku załadunku i odczekaj około 10 h.
UWAGA: Ciśnienie na wylocie pompy turbo powinno wynosić 6,0 x 10-2 mbar. - Włącz manometr zamontowany w blokadzie obciążenia na niższe ciśnienie (zwykle poniżej 10-6 mbar).
- Sprawdź ciśnienie w zamku załadunku: ciśnienie powinno mieścić się w zakresie 10-8 mbar po 10 godzinach pompowania.
- Wyżarzanie źródła C60 w domowej roboty komórce Knudsena.
- Stopniowo (1,5 °C/min) w domowej roboty ogniwie Knudsena wyżarzać w temperaturze 250 °C przez 2 godziny w celu odgazowania, podłączając zasilacz do dwóch styków przepustu kołnierzowego CF, które są podłączone do zwinięta sprężyna wolframowa.
- Zwiększyć temperaturę wyżarzania do 300 °C, czyli powyżej temperatury osadzania (270 °C).
- Wyżarzanie w temperaturze 300 °C przez 0,5 h w celu dalszego odgazowania.
- Zmniejszyć temperaturę do 270 °C w celu osadzenia.
3. Przygotuj atomowo czysty grafen w komorze UHV
- Przenieś grafen (na folii miedzianej) z karuzeli do przechowywania próbek na płytę wyżarzającą w komorze przygotowawczej ultrawysokiej próżni systemu STM (specjalne miejsce do przygotowania i wyżarzania próbki w ultrawysokiej próżni ).
- Wyżarzać podłoże grafenowe pod ciśnieniem podstawowym niskim 10-10 mbar w komorze przygotowawczej, stopniowo zwiększając temperaturę do 400 °C.
- Odczekaj 12 godzin, aby usunąć resztki zanieczyszczeń z powierzchni grafenu.
- Stopniowo zmniejszaj temperaturę wyżarzania podłoża grafenowego do temperatury pokojowej.
4. Umieść C 60 na podłożu grafenowym za pomocą domowej roboty ogniwa Knudsena w Load Lock
- Przenieś podłoże grafenowe do zamka obciążenia.
- Ułóż płytkę w komorze przygotowawczej w pozycji przenoszenia. Przenieś atomowo czysty grafen do śluzy ładunkowej w celu osadzenia C60, po przygotowaniu atomowo czystego grafenu i źródła C60.
- Otworzyć zawór między blokadą załadunku a komorą przygotowawczą.
- Przenieś podłoże grafenowe z płyty w komorze przygotowawczej do zamka załadunku za pomocą narzędzia do załadunku.
- Połóż podłoże grafenowe stroną zadrukowaną do dołu (C60 pochodzi z poniższego źródła).
- Osadzaj C60 na podłożu grafenowym.
UWAGA: Cząsteczki C60 przenoszą się z domowej roboty komórki Knudsena na podłoże grafenowe w temperaturze 270 °C.- Odczekaj 1 minutę z szybkością stapiania 0,9 monowarstwy/min.
- Przenieść próbkę C60/grafenu z powrotem do komory przygotowawczej.
5. Przygotuj próbkę C 60 /grafenu do pomiaru w głównej komorze STM
- Wyżarzać próbkę C60/grafen do temperatury 150 °C z szybkością 3,1 °C/min przez 2 godziny w komorze przygotowawczej o bardzo wysokiej próżni.
- Zeskanuj próbkę C60/grafenu za pomocą STM w komorze głównej STM.
- Wyżarzać próbkę C60/grafen do temperatury 210 °C z szybkością 3,1 °C/min przez 2 godziny.
- Zeskanuj próbkę C60/grafenu za pomocą STM.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Po odparowaniu, grafen z nowo osadzonym C60 jest wyżarzany w temperaturze 150 °C przez 2 h. Obraz STM w dużej skali przedstawiony na Rysunku 2a pokazuje charakterystyczną quasi-1D strukturę łańcuchów C60 zaobserwowaną po tym wstępnym procesie wyżarzania. Dokładniejsza analiza na Rysunku 2b ujawnia szczegółowe informacje o tej strukturze 1D, w której każda jasna sferyczna wypukłość reprezentuje pojedynczą czą...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Techniki opisane w tym protokole są przeznaczone do osadzania termicznego materiałów organicznych i innych materiałów o wysokiej prężności pary. Techniki te można zintegrować z systemami ultrawysokiej próżni, które mają obszary przygotowania próbek zdolne do wspomagania parowania molekularnego, a także wyżarzania termicznego. Celem tego konkretnego eksperymentu jest osadzenie cząsteczek C60 na podłożu grafenowym i zbadanie samoorganizacji C60 i efektu termicznego.
Zaletą ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie mamy nic do ujawnienia.
Podziękowania
Ta praca jest wspierana przez Biuro Badawcze Armii Stanów Zjednoczonych w ramach grantu W911NF-15-1-0414.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| CF Przepust kołnierzowy | Kurt J. Lesker | EFT0042033 | |
| Blachy miedziane | Alfa Aesar | 7440-50-8 | |
| Termopara druty chromowo-aluminiowe | Omega Engineering | ST032034/ST080042 | |
| Druty wolframowe | Alfa Aesar | 7440-33-7 | |
| Pręty ze stali nierdzewnej | McMaster-Carr | 95412A868 | |
| Druty miedziane | McMaster-Carr | 8873K28 | |
| Puste pręty miedziane | McMaster-Carr | 7190K52 | |
| C60 | MER Corporation | MR6LP |
Bibliografia
- Gutzler, R., Heckl, W. M., Lackinger, M. Combination of a Knudsen effusion cell with a quartz crystal microbalance: In situ measurement of molecular evaporation rates with a fully functional deposition source. Review of Scientific Instruments. 81, 015108(2010).
- de Barros, A. L. F., et al. A simple experimental arrangement for measuring the vapour pressures and sublimation enthalpies by the Knudsen effusion method: Application to DNA and RNA bases. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. 560, (2006).
- Shukla, A. K., et al. Versatile UHV compatible Knudsen type effusion cell. Review of Scientific Instruments. 75, 4467(2004).
- Cho, J., et al. Structural and Electronic Decoupling of C60 from Epitaxial Graphene on SiC. Nano Letters. 12, 3018(2012).
- Jung, M., et al. Atomically resolved orientational ordering of C60 molecules on epitaxial graphene on Cu(111). Nanoscale. 6 (111), 11835(2014).
- Li, G., et al. Self-assembly of C60 monolayer on epitaxially grown, nanostructured graphene on Ru(0001) surface. Applied Physics Letters. 100 (0001), 013304(2012).
- Lu, J., et al. Using the Graphene Moire Pattern for the Trapping of C60 and Homoepitaxy of Graphene. Acs Nano. 6, 944(2012).
- Zhou, H. T., et al. Direct imaging of intrinsic molecular orbitals using two-dimensional, epitaxially-grown, nanostructured graphene for study of single molecule and interactions. Applied Physics Letters. 99, 153101(2011).
- Belaish, I., et al. Spin Cast Thin-Films of Fullerenes and Fluorinated Fullerenes - Preparation and Characterization by X-Ray Reflectivity and Surface Diffuse-X-Ray Scattering. Journal of Applied Physics. 71, 5248(1992).
- Bezmel'nitsyn, V. N., Eletskii, A. V., Okun', M. V. Fullerenes in solutions. Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 168, 1195(1998).
- Ma, D. N., Sandoval, S., Muralidharan, K., Raghavan, S. Effect of surface preparation of copper on spin-coating driven self-assembly of fullerene molecules. Microelectronic Engineering. 170, 8(2017).
- Chen, C. H., Zheng, H. S., Mills, A., Heflin, J. R., Tao, C. G. Temperature Evolution of Quasi-one-dimensional C60 Nanostructures on Rippled Graphene. Scientific Reports. 5, 14336(2015).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
