Name: Przygotowanie ciekłych złuszczonych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego o kontrolowanym rozmiarze i grubości: najnowocześniejszy protokół (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-12-20T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 41 s
Description: Poznaj metodę przygotowania ciekłych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego MoS₂ i WS₂ o kontrolowanym rozmiarze i grubości. Protokół obejmuje sonikację, kaskadową centrifugację oraz charakteryzację mikroskopową i spektroskopową.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Badania prowadzące do tych wyników otrzymały finansowanie z Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej na podstawie umowy o grant nr 604391 Graphene Flagship. C.B. uznaje Niemiecką Fundację Badawczą, DFG, za grant BA 4856/2-1.

1. Egzfoliacja cieczowa — przygotowanie odpowiednich dyspersji zapasowych
<ol>
	<li>Umieść metalowy kubek pod sonotrodą w kąpieli lodowej.</li>
	<li>Wprowadź 1,6 g proszku TMD do 80 mL wodnego roztworu surfaktantu cholonianu sodu (SC) (stężenie cholonianu sodu, CSC = 6 g L-1) w metalowym kubku.</li>
	<li>Przesuń końcówkę sonikatora na dno metalowego kubka, a następnie o około 1 cm w górę. Owiń sondę sonikacyjną folią aluminiową, aby zapobiec rozlaniu.</li>
	<li>Przeprowadź sonikację mieszaniny w warunkach chłodzenia lodowego za pomocą sondy sonikacyjnej z płaską końcówką (procesor 750 W) przez 1 h przy amplitudzie 60% (impuls 6 s włączone, 2 s wyłączone), aby uniknąć nagrzewania.</li>
	<li>Odprowadź dyspersję w wirówce z prędkością wirowania 2660 x g przez 1,5 h. Odrzuć nadmiar zawierający zanieczyszczenia i zebrz osad w 80 mL świeżego roztworu surfaktantu (CSC = 2 g L-1). 
	UWAGA: Maksymalna wysokość wypełnienia probówek wirówki nie powinna przekraczać 10 cm. W przeciwnym razie należy wydłużyć czas wirowania.</li>
	<li>Poddaj dyspersję drugiej, dłuższej sonikacji za pomocą płaskiej końcówki przez 5 h przy amplitudzie 60% (impuls 6 s włączone, 2 s wyłączone) w warunkach chłodzenia lodowego. Wymień kąpiel lodową co 2 h, przerywając na chwilę sonikację.</li>
</ol>
2. Selekcja rozmiaru nanowarstw metodą wirowania kaskadowego w cieczy
UWAGA: Aby dokonać selekcji nanowarstw pod względem rozmiaru, stosuje się ciekłą kaskadową wirówkę z kolejno zwiększającym się przyspieszeniem odśrodkowym (Rysunek 1). Poniższa procedura jest zalecana jako standardowa metoda doboru rozmiaru kaskady w przypadku TMD. Dla innych materiałów prędkości wirówki mogą wymagać dostosowania.
<ol>
	<li>Usuń nieodwarstwiony proszek przez wirowanie z przyspieszeniem 240 x g (1,5 krpm) przez 2 h. Odrzuć osad.</li>
	<li>Przeprowadź wirowanie supernatantu z wyższym przyspieszeniem odśrodkowym: 425 x g (2 krpm), 2 h. Zbierz osad w świeżej powierzchniowo czynnej substancji w zmniejszonej objętości (3–8 mL).</li>
	<li>Przeprowadź wirowanie supernatantu z jeszcze wyższym przyspieszeniem odśrodkowym: 950 x g (3 krpm), 2 h. Zbierz osad w świeżej powierzchniowo czynnej substancji w zmniejszonej objętości (3–8 mL).</li>
	<li>Powtórz tę procedurę dla następujących przyspieszeń odśrodkowych: 1 700 x g (4 krpm), 2 650 x g (5 krpm), 3 500 x g (6 krpm), 5 500 x g (7,5 krpm) oraz 9 750 x g (10 krpm).</li>
</ol>
3. Oznaczanie rozmiaru i grubości nanowarstw metodą mikroskopii statystycznej
UWAGA: Jeśli metryki spektroskopowe są już dostępne, sekcję 3 można pominąć lub ograniczyć, tj. nie przeprowadzać dla każdego próbnika.
<ol>
	<li>Długość: Mikroskopia elektronowa przepuszczająca (TEM)
	<ol>
		<li>Osadzanie
		<ol>
			<li>Rozcieńcz roztwory o wysokim stężeniu wodą (aby zmniejszyć stężenie surfaktantu), aż uzyskasz roztwory o jasnym kolorze. Nakrapiaj na siatkę (np. z otworowanym węglem, 400 mesh) umieszczoną na membranie filtracyjnej, aby nadmiar rozpuszczalnika został wchłonięty.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Obrazowanie
		<ol>
			<li>Uzyskaj wiele obrazów z różnych miejsc na siatce. Dostosuj pole widzenia w zależności od rozmiaru nanowarstw. Aby zapoznać się z kompleksowym przewodnikiem po obrazowaniu w TEM, zobacz odniesienie 18.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Statystyczna analiza długości przeprowadzona za pomocą ImageJ
		<ol>
			<li>Otwórz oprogramowanie ImageJ, wybierz odpowiedni obraz TEM za pomocą menu „file” i otwórz obraz. Obraz otworzy się w nowym oknie.</li>
			<li>Kliknij kartę „analyze”. Wybierz „set scale” z rozwijanego menu. Otworzy się nowe okno. Kliknij „remove scale”, zaznacz „global” i kliknij „ok”.</li>
			<li>Wybierz narzędzie „line”. Narysuj linię wzdłuż długości szkali obrazu TEM.</li>
			<li>Kliknij „analyze”. Wybierz „set scale” z rozwijanego menu. Wpisz długość szkali w nm w pole „known distance” i kliknij „ok”. 
			UWAGA: Długość linii narysowanej na szkali wyświetlana jest w pikselach.</li>
			<li>Wybierz narzędzie „line” i zmierz długość nanowarstwy, rysując linię wzdłuż najdłuższej osi nanowarstwy.</li>
			<li>Naciśnij „control+M”, aby zmierzyć. Otworzy się nowe okno o nazwie „results”, w którym długość nanowarstwy pojawi się w kolumnie „length”.</li>
			<li>Powtórz krok 3.1.3.6 dla wszystkich pojedynczo osadzonych nanowarstw (nie agregowanych) na obrazie.</li>
			<li>Podczas otwierania nowego obrazu powtórz kroki 3.1.3.3–3.1.3.7. Zmierz długość 150 nanowarstw. 
			UWAGA: Wszystkie dane dotyczące długości nanowarstw są gromadzone w oknie „results” i mogą być skopiowane do innych programów w celu dalszej analizy.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Grubość: Mikroskopia sił atomowych (AFM)
	<ol>
		<li>Rozcieńcz dyspersję tak, aby była niemal przezroczysta dla oka ludzkiego (odpowiadające intensywności wygaszania idealnie ~0,2 na 1 cm długości ścieżki przy 400 nm). W przypadku dyspersji zawierających surfaktant, rozcieńczaj wodą, a nie roztworem surfaktantu.</li>
		<li>Nakrapiaj na uprzednio nagrzane płytki. Dla dyspersji na bazie wody, nagrij płytkę do ~170 °C na płytce grzejnej i nałóż 10 µL na płytkę o powierzchni 0,5 x 0,5 cm2.</li>
		<li>Dokładnie przepłucz płytki co najmniej 5 mL wody i 3 mL 2-propanolu, aby usunąć pozostałości surfaktantu i inne zanieczyszczenia.</li>
		<li>Przeskanuj i zapisz wiele obrazów z różnych miejsc próbki za pomocą AFM w trybie dotykowym. Dla małych nanowarstw użyj rozdzielczości 512 linii na obraz i rozmiarów obrazu maksymalnie 2 x 2 µm2. Dla próbek zawierających większe nanowarstwy, zwiększ pole widzenia do maksymalnie 8 x 8 µm2. Użyj odpowiednich szybkości skanowania (zwykle 0,4–0,7 Hz). Alternatywnie, skanuj większe obszary z wyższą rozdzielczością.</li>
		<li>Pomiar grubości za pomocą oprogramowania Gwyddion
		<ol>
			<li>Otwórz oprogramowanie i wybierz odpowiedni obraz AFM za pomocą „file” i „open”. Obraz otworzy się w nowym oknie.</li>
			<li>Skoryguj tło za pomocą opcji „level data by mean plane subtraction”, „align rows” i „correct horizontal scars” w sekcji „Data Process” menu głównego. Zastosuj korekty, zmień kolor obrazu w celu lepszej kontrastowości, klikając prawym przyciskiem myszy na legendę i ustaw z-plane na zero.</li>
			<li>Powiększ wybrany obszar (jeśli wygodne). Kliknij narzędzie „crop” w menu głównym. Przeciągnij kursor po obrazie, aby zaznaczyć wybrany obszar. Naciśnij „apply”. Zaznacz opcję „create new channel”, aby otworzyć zaznaczony obszar w nowym oknie.</li>
			<li>Wybierz „extract profiles” z menu narzędzi. Otworzy się nowe okno.</li>
			<li>Narysuj linię przez nanowarstwę. Zanotuj grubość w tabeli. W przypadku nanowarstw o niejednorodnej grubości, uśrednij grubość na całej powierzchni nanowarstwy. Zwracaj szczególną uwagę, aby mierzyć wyłącznie pojedynczo osadzone i nieagregowane nanowarstwy.</li>
			<li>Powtórz kroki 3.2.5.3–3.2.5.5 dla wszystkich nanowarstw na obrazie.</li>
			<li>Powtórz kroki 3.2.5.1–3.2.5.6 dla wszystkich zarejestrowanych obrazów. Zmierz co najmniej 150 nanowarstw.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Konwersja grubości AFM na liczbę warstw 
	UWAGA: Widoczne wysokości AFM dla nanomateriałów wyekstrudowanych z cieczy są zazwyczaj zawyżane z powodu obecności resztek rozpuszczalnika. Ponadto dokładne pomiary wysokości dla niejednorodnych próbek (takich jak nanomateriały osadzone na podłożach) za pomocą AFM są ogólnie trudne ze względu na wpływ takich efektów jak siły kapilarne i adhezja, które zależą od materiału i parametrów pomiaru19,20. Aby przezwyciężyć te problemy i przeliczyć widoczną zmierzoną grubość AFM na liczbę warstw, opracowano procedurę zwaną analizą wysokości stopni, opisaną poniżej12,13,16,21. Kroki 3.3.1–3.3.4 można pominąć, jeśli wysokość stopnia jest znana.
	<ol>
		<li>Otwórz, skoryguj i przyciąć obraz AFM zgodnie z opisem w punkcie 3.2, aby wybrać nanowarstwę z wyraźnie widocznymi tarasami.</li>
		<li>Zmierz wysokość przez nanowarstwę za pomocą narzędzia „extract profile”. 
		UWAGA: Odpowiednie profile pokazują dyskretne skoki, takie jak na wstawce na ryc. 2B.
		<ol>
			<li>Zanotuj wysokość tych skoków (tj. różnicę wysokości z jednego tarasu do następnego na nanowarstwie).</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Policz co najmniej 70 takich skoków.</li>
		<li>Wykreśl wysokość skoków w kolejności rosnącej (ryc. 2C). 
		UWAGA: Zauważ, że dla TMD widoczna wysokość skoku jest zawsze wielokrotnością ~1,9 nm.</li>
		<li>Podziel widoczną grubość AFM (zmierzoną zgodnie z opisem w sekcji 3.2) przez 1,9 nm, aby uzyskać liczbę warstw. 
		UWAGA: Inne materiały mają inne współczynniki konwersji wysokości skoku, wymagające kalibracji.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Oznaczanie rozmiaru i grubości MoS2 oraz WS2 na podstawie widm ekstynkcji
<ol>
	<li>Nabycie widm
	<ol>
		<li>Rozcieńcz próbki o wysokim stężeniu odpowiednim medium (w tym przypadku wodnym roztworem cholanu sodu, 2 g L-1) tak, aby ekstynkcja była mniejsza niż 2 w całym zakresie spektralnym.</li>
		<li>Ustaw przyrosty pomiaru widmowego na 0,5 nm w ustawieniach urządzenia lub wybierz wolną lub średnią prędkość skanowania.</li>
		<li>Wybierz opcję „odjęcie linii bazowej” w ustawieniach urządzenia. Umieść kuwetę zawierającą roztwór cholanu sodu w komorze próbki spektrometru i przeprowadź pomiar.</li>
		<li>Wyjmij kuwetę z roztworem cholanu sodu ze spektrometru i opróżnij ją. Napełnij kuwetę próbką, umieść ją w komorze próbki spektrometru i wykonaj skan próbki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczanie długości na podstawie stosunków intensywności
	<ol>
		<li>Opcja 1: Odczytaj intensywność przy ekscytonie A, ExtA (~660 nm dla MoS2 i 620 nm dla WS2) oraz lokalne minimum Extmin (345 nm dla MoS2 i 295 nm dla WS2). Podziel intensywność przy ekscytonie A przez intensywność przy lokalnym minimum, aby uzyskać stosunek intensywności ExtA/Extmin.</li>
		<li>Wyznacz średnią długość nanowarstwy, &lt;L&gt;, korzystając z równania 1. 
		<img alt="równanie równowagi statycznej, diagram, L=&lt;1000(ExtA/ExtMin-7.6)/2.8&gt;, wzór edukacyjny" src="/files/ftp_upload/54806/54806equation1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 1"> (Równ. 1) 
		gdzie ExtA/Extmin to stosunek intensywności ekstynkcji przy ekscytonie A (ExtA) i przy lokalnym minimum (Extmin). 
		UWAGA: Równanie to obowiązuje zarówno dla MoS2, jak i WS2. Jego dokładność jest jednak ograniczona, szczególnie dla małych nanowarstw.</li>
		<li>Opcja 2: Wyznacz stosunek intensywności lokalnego maksimum w zakresie UV widma, ExtMax-HE (270 nm dla MoS2 i 235 nm dla WS2) oraz lokalnego minimum, Extmin (345 nm dla MoS2 i 295 nm dla WS2).</li>
		<li>Wyznacz średnią długość nanowarstwy, &lt;L&gt;, korzystając z równania 2. 
		<img alt="Wzór matematyczny do analizy wyników eksperymentalnych w badaniu spektroskopowym, zawiera równanie &lt;L&gt;." src="/files/ftp_upload/54806/54806equation2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 2"> (Równ. 2) 
		gdzie Extmax-HE oznacza intensywność przy lokalnym maksimum o wysokiej energii (270 nm dla MoS2 i 235 nm dla WS2), a Extmin oznacza intensywność ekstynkcji przy lokalnym minimum (345 nm dla MoS2 i 295 nm dla WS2). 
		UWAGA: Opcja 2 daje dokładniejszą miarę rozmiaru bocznego. Jednak zakres wysokiej energii może nie być dostępny we wszystkich rozpuszczalnikach/surfaktantach.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Stężenie
	<ol>
		<li>Zarejestruj intensywność ekstynkcji odniesioną do długości drogi optycznej 1 cm przy 345 nm dla MoS2 i 235 nm dla WS2. 
		UWAGA: Podziel zarejestrowaną zmierzoną ekstynkcję przez długość drogi optycznej kuwety.</li>
		<li>Podziel tę intensywność przez współczynniki ekstynkcji wynoszące 68 Lg-1cm-1 przy 345 nm dla MoS2 i 47 Lg-1cm-1 przy 235 nm dla WS2, aby uzyskać stężenie nanowarstw w gL-1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyznaczanie grubości na podstawie położenia ekscytonu A
	<ol>
		<li>Oblicz drugą pochodną widma.
		<ol>
			<li>Korzystając z oprogramowania do analizy danych i tworzenia wykresów (npr. OriginPro), wybierz kolumnę zawierającą intensywność ekstynkcji. Kliknij kartę „analiza”, wybierz z rozwijanego menu „matematyka”, a następnie „różniczkowanie”, „otwórz okno dialogowe”. Otworzy się nowe okno. Ustaw rząd pochodnej na 2 i kliknij OK.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Wygładź drugą pochodną metodą uśredniania sąsiednich punktów (~10–20 punktów na okno w regionie ekscytonu A).
		<ol>
			<li>Na przykład, korzystając z oprogramowania do analizy danych i tworzenia wykresów, narysuj widmo drugiej pochodnej.
			<ol>
				<li>Przy aktywnym oknie graficznym kliknij „analiza” i wybierz „przetwarzanie sygnału”, następnie „wygładzanie”, a potem „otwórz okno dialogowe” z rozwijanego menu. Otworzy się nowe okno.</li>
				<li>Wybierz „uśrednianie sąsiednich punktów” jako metodę wygładzania i ustaw liczbę punktów na 20.</li>
				<li>Narysuj wynikowe wygładzone widmo, które pojawia się jako nowe kolumny. Jeśli szum nadal jest duży, powtórz wygładzanie. 
				UWAGA: Zwykle wygładzanie widm jest konieczne w celu zmniejszenia szumu, chyba że użyto długich czasów integracji podczas pomiaru. Odpowiednie wygładzanie jest ważnym elementem analizy danych, a wybór metody zależy od oczekiwanego wyniku. Ta konkretna metoda jest idealna wyłącznie do wyznaczania średniego położenia piku.13</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Odczytaj położenie piku z drugiej pochodnej. Jest to długość fali ekscytonu A, λA. Alternatywnie wykonaj kroki opisane w punktach 4.4.4–4.4.7.</li>
		<li>Przekształć oś x z długości fali na energię, korzystając z zależności: 
		E(eV) = 4,135E-6 * 2,997E8 / λ(nm)</li>
		<li>Dopasuj drugą pochodną do drugiej pochodnej krzywej Lorentza. 
		UWAGA: Krzywą Lorentza można zapisać jako 
		<img alt="Wzór kształtu linii Lorentza, pokazujący charakteryzację piku w analizie spektroskopowej." src="/files/ftp_upload/54806/54806equation3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 3"> (Równ. 3) 
		gdzie h to wysokość, E'0 to środek, a w to szerokość w połowie maksimum (FWHM). Podwójne różniczkowanie względem E daje 
		<img alt="Równanie do analizy zjawisk optycznych; wzór pokazuje drugą pochodną, wyrazy energetyczne." src="/files/ftp_upload/54806/54806equation4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 4"> (Równ. 4)
		<ol>
			<li>W oprogramowaniu do analizy danych i tworzenia wykresów wybierz z głównego menu „narzędzia” i zaznacz „kreator funkcji dopasowania”. Otworzy się nowe okno.</li>
			<li>Wybierz „utwórz nową funkcję”, kliknij Dalej.</li>
			<li>Zostaw ustawienia domyślne, nadaj funkcji nazwę i kliknij Dalej.</li>
			<li>Ustaw „h,E,w” jako parametry, kliknij Dalej.</li>
			<li>Wpisz „(-8*h/w^2)*(1-3*(2*(E-x)/w)^2)/(1+(2*(E-x)/w)^2)^3” jako ciało funkcji, kliknij Zakończ.</li>
			<li>Narysuj tylko obszar ekscytonu A widma drugiej pochodnej w skali energii.</li>
			<li>Przy aktywnym oknie graficznym kliknij kartę „analiza”. Wybierz „dopasowanie”, „nieliniowe dopasowanie krzywej”, „otwórz okno dialogowe” z rozwijanego menu. Otworzy się nowe okno.</li>
			<li>Wybierz „zdefiniowane przez użytkownika” w kategorii i wybierz wcześniej utworzoną funkcję w polu funkcji. Na karcie „parametry” ustaw wartości początkowe w na 0,1 oraz E na 1,99 dla WS2 i 1,85 dla MoS2. Kliknij „dopasuj”.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zanotuj energię E'0, która odpowiada energii ekscytonu A, E'A.</li>
		<li>Wyznacz liczbę warstw zgodnie z równaniami 5 (MoS2) i 6 (WS2). 
		<img alt="Równanie równowagi statycznej N=2,3×10^36 e^(-5,68×10^4/E_A) analiza wzoru." src="/files/ftp_upload/54806/54806equation5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 5"> (Równ. 5, MoS2) 
		<img alt="Wzór równowagi statycznej N=6,35×10⁻³²e^(λ/8,51)=6,35×10⁻³²e^(14,6/E₄) równanie." src="/files/ftp_upload/54806/54806equation6.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Równanie 6"> (Równ. 6, WS2) 
		gdzie λA oznacza długość fali ekscytonu A, a EA oznacza energię ekscytonu A.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Zhang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrathin+Two-Dimensional+Nanomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials.</a> ACS Nano. 9, 9451-9469 (2015).</li>
<li>Yi, M., Shen, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+on+mechanical+exfoliation+for+the+scalable+production+of+graphene%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mat.+Chem.+A%22%5BJournal%5D)">A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene.</a> J. Mat. Chem. A. 3, 11700-11715 (2015).</li>
<li>Jariwala, D., Sangwan, V. K., Lauhon, L. J., Marks, T. J., Hersam, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Emerging+Device+Applications+for+Semiconducting+Two-Dimensional+Transition+Metal+Dichalcogenides%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Emerging Device Applications for Semiconducting Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides.</a> ACS Nano. 8, 1102-1120 (2014).</li>
<li>Nicolosi, V., Chhowalla, M., Kanatzidis, M. G., Strano, M. S., Coleman, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+Exfoliation+of+Layered+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Liquid Exfoliation of Layered Materials.</a> Science. 340, 1420(2013).</li>
<li>Butler, S. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Progress%2C+Challenges%2C+and+Opportunities+in+Two-Dimensional+Materials+Beyond+Graphene%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Progress, Challenges, and Opportunities in Two-Dimensional Materials Beyond Graphene.</a> ACS Nano. 7, 2898-2926 (2013).</li>
<li>Bonaccorso, F., Bartolotta, A., Coleman, J. N., Backes, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+crystals-based+functional+inks%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional crystals-based functional inks.</a> Adv. Mater. , accepted (2016).</li>
<li>Torrisi, F., Coleman, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrifying+inks+with+2D+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Electrifying inks with 2D materials.</a> Nat. Nanotechnol. 9, 738-739 (2014).</li>
<li>Coleman, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-Dimensional+Nanosheets+Produced+by+Liquid+Exfoliation+of+Layered+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Two-Dimensional Nanosheets Produced by Liquid Exfoliation of Layered Materials.</a> Science. 331, 568-571 (2011).</li>
<li>Smith, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-Scale+Exfoliation+of+Inorganic+Layered+Compounds+in+Aqueous+Surfactant+Solutions%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Large-Scale Exfoliation of Inorganic Layered Compounds in Aqueous Surfactant Solutions.</a> Adv. Mater. 23, 3944-3948 (2011).</li>
<li>Khan, U., O'Neill, A., Porwal, H., May, P., Nawaz, K., Coleman, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Size+selection+of+dispersed%2C+exfoliated+graphene+flakes+by+controlled+centrifugation%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Size selection of dispersed, exfoliated graphene flakes by controlled centrifugation.</a> Carbon. 50, 470-475 (2012).</li>
<li>Kang, J., Seo, J. -W. T., Alducin, D., Ponce, A., Yacaman, M. J., Hersam, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thickness+sorting+of+two-dimensional+transition+metal+dichalcogenides+via+copolymer-assisted+density+gradient+ultracentrifugation%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Thickness sorting of two-dimensional transition metal dichalcogenides via copolymer-assisted density gradient ultracentrifugation.</a> Nat. Commun. 5, 5478(2014).</li>
<li>Backes, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Edge+and+Confinement+Effects+Allow+in+situ+Measurement+of+Size+and+Thickness+of+Liquid-Exfoliated+Nanosheets%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Edge and Confinement Effects Allow in situ Measurement of Size and Thickness of Liquid-Exfoliated Nanosheets.</a> Nat. Commun. 5, 4576(2014).</li>
<li>Backes, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Production+of+Highly+Monolayer+Enriched+Dispersions+of+Liquid-Exfoliated+Nanosheets+by+Liquid+Cascade+Centrifugation%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Production of Highly Monolayer Enriched Dispersions of Liquid-Exfoliated Nanosheets by Liquid Cascade Centrifugation.</a> ACS Nano. 10, 1589-1601 (2016).</li>
<li>Green, A. A., Hersam, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solution+Phase+Production+of+Graphene+with+Controlled+Thickness+via+Density+Differentiation%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Solution Phase Production of Graphene with Controlled Thickness via Density Differentiation.</a> Nano Lett. 9, 4031-4036 (2009).</li>
<li>Harvey, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+of+Gallium+Sulfide+Nanosheets+by+Liquid+Exfoliation+and+Their+Application+As+Hydrogen+Evolution+Catalysts%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Preparation of Gallium Sulfide Nanosheets by Liquid Exfoliation and Their Application As Hydrogen Evolution Catalysts.</a> Chem. Mater. 27, 3483-3493 (2015).</li>
<li>Hanlon, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Liquid+Exfoliation+of+Solvent-Stabilised+Few-Layer+Black+Phosphorus+for+Applications+Beyond+Electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Liquid Exfoliation of Solvent-Stabilised Few-Layer Black Phosphorus for Applications Beyond Electronics.</a> Nat. Commun. 6, 8563(2015).</li>
<li>Backes, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectroscopic+metrics+allow+in-situ+measurement+of+mean+size+and+thickness+of+liquid-exfoliated+few-layered+graphene+nanosheets%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Spectroscopic metrics allow in-situ measurement of mean size and thickness of liquid-exfoliated few-layered graphene nanosheets.</a> Nanoscale. 8, 4311-4323 (2016).</li>
<li>Rodenburg, J. Tutorial Courses on Transmission Electron Microscopy. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://www.rodenburg.org/">http://www.rodenburg.org/</a> (2016).</li>
<li>Ridings, C., Warr, G. G., Andersson, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Composition+of+the+outermost+layer+and+concentration+depth+profiles+of+ammonium+nitrate+ionic+liquid+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Composition of the outermost layer and concentration depth profiles of ammonium nitrate ionic liquid surfaces.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 16088-16095 (2012).</li>
<li>Nemes-Incze, P., Osváth, Z., Kamarás, K., Biró, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anomalies+in+thickness+measurements+of+graphene+and+few+layer+graphite+crystals+by+tapping+mode+atomic+force+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Anomalies in thickness measurements of graphene and few layer graphite crystals by tapping mode atomic force microscopy.</a> Carbon. 46, 1435-1442 (2008).</li>
<li>Paton, K. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalable+production+of+large+quantities+of+defect-free+few-layer+graphene+by+shear+exfoliation+in+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids.</a> Nat. Mater. 13, 624-630 (2014).</li>
<li>Novoselov, K. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+atomic+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Nat.+Ac.+Sci.+U.+S%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional atomic crystals.</a> Proc. Nat. Ac. Sci. U. S. 102, 10451-10453 (2005).</li>
<li>Kouroupis-Agalou, K., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKouroupis-Agalou%2C+K+%22Nanoscale%22">Nanoscale</a>. 6, 5926-5933 (2014).</li>
<li>Hanlon, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Production+of+Molybdenum+Trioxide+Nanosheets+by+Liquid+Exfoliation+and+Their+Application+in+High-Performance+Supercapacitors%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Production of Molybdenum Trioxide Nanosheets by Liquid Exfoliation and Their Application in High-Performance Supercapacitors.</a> Chem. Mater. 26, 1751-1763 (2014).</li>
<li>Yadgarov, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dependence+of+the+Absorption+and+Optical+Surface+Plasmon+Scattering+of+MoS2+Nanoparticles+on+Aspect+Ratio%2C+Size%2C+and+Media%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Dependence of the Absorption and Optical Surface Plasmon Scattering of MoS2 Nanoparticles on Aspect Ratio, Size, and Media.</a> ACS Nano. 8, 3575-3583 (2014).</li>
<li>Wilson, J. A., Yoffe, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+metal+dichalcogenides.+Discussion+and+interpretation+of+the+observed+optical%2C+electrical%2C+and+structural+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Phys%22%5BJournal%5D)">Transition metal dichalcogenides. Discussion and interpretation of the observed optical, electrical, and structural properties.</a> Adv. Phys. 18, 193-335 (1969).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Przygotowanie próbek
Próbki opisane w niniejszym tekście są otrzymywane za pomocą sonikacji końcówkowej. Można zastosować alternatywne procedury eksfoliacji, jednak doprowadzą one do uzyskania innych stężeń, rozmiarów bocznych i stopni eksfoliacji. Należy unikać stosowania wyższych amplitud oraz dłuższych impulsów podczas sonikacji, aby zapobiec uszkodzeniu sonikatora. Podobne wyniki uzyskano przy użyciu procesorów 50 W. Należy jednak pamiętać, że czas sonikacji oraz amplituda mają wpływ na eksfo...

Możliwość wytwarzania i przetwarzania grafenu oraz powiązanych z nim kryształów dwuwymiarowych (2D) w fazie ciekłej sprawia, że są one obiecującymi materiałami dla coraz szerszego zakresu zastosowań, takich jak materiały kompozytowe, czujniki, magazynowanie i konwersja energii oraz elastyczna elektronika (optoelektronika).1-6 Wykorzystanie nanomateriałów 2D w tego typu zastosowaniach będzie wymagało tanich i niezawodnych tuszów funkcjonalnych o dostosowanym do potrzeb rozmiarze bocznym i grubości składników nanometrycznych, a także kontrolowanych właściwości reologicznych i morfologicznych, odpowiednich dla procesów drukowania/powlekania na skalę przemysłową.7 W związku z tym złuszczanie w fazie ciekłej stało się istotną techniką produkcyjną, umożliwiającą uzyskanie szerokiej gamy nanostruktur w dużych ilościach.6,8,9 Metoda ta polega na sonikacji lub ścinaniu kryształów warstwowych w cieczach. Jeśli ciecz zostanie odpowiednio dobrana (tj. odpowiednie rozpuszczalniki lub surfaktant), nanoarkusze zostaną ustabilizowane przeciwko ponownej agregacji. Dzięki takim technikom zademonstrowano liczne zastosowania i urządzenia typu proof-of-principle.6 Prawdopodobnie największą zaletą tej strategii jest jej wszechstronność, ponieważ wiele warstwowych kryształów wyjściowych można złuszczać i przetwarzać w podobny sposób, co zapewnia dostęp do szerokiej palety materiałów, które można dostosować do pożądanego zastosowania.
Jednakże, pomimo tego niedawnego postępu, polidyspersyjność wynikająca z tych metod produkcji w fazie ciekłej (w odniesieniu do długości i grubości nanoruwek) wciąż stanowi wąskie gardło w realizacji wysokowydajnych urządzeń. Wynika to głównie z faktu, że opracowanie nowych i innowacyjnych technik selekcji rozmiarów wymagało do tej pory charakteryzacji długości i grubości nanoruwek przy użyciu żmudnej mikroskopii statystycznej (mikroskopii sił atomowych, AFM oraz/lub mikroskopii elektronowej transmisyjnej, TEM).
Mimo tych wyzwań, opisano kilka technik wirowania pozwalających na sortowanie pod względem długości i grubości.6,10-13 Najprostszym scenariuszem jest wirowanie homogeniczne, w którym dyspersję wiruje się przy określonym przyspieszeniu odśrodkowym, a następnie zlewa nadosad do analizy. Prędkość wirowania określa punkt odcięcia wielkości, przy czym im wyższa prędkość, tym mniejsze są nanorurki w nadosadzie. Technika ta obarczona jest jednak dwiema głównymi wadami; po pierwsze, podczas wyboru większych nanorurek (t.j. gdy dyspersję wiruje się z niską prędkością i zlewamy nadosad), wszystkie mniejsze nanorurki również pozostaną w próbce. Po drugie, niezależnie od prędkości wirowania, znaczna część materiału ulega zmarnowaniu w osadzie.
Alternatywną strategią selekcji pod względem wielkości jest wirówka w gradiencie gęstości (lub wirowanie izopikniczne).11,14 W tym przypadku dyspersję wstrzykuje się do probówki wirówkowej zawierającej medium gradientu gęstości. Podczas ultrawirowania (zazwyczaj &gt; (20 0 x g), tworzy się gradient gęstości, a nanoarkusze przemieszczają się do punktu w wirówce, w którym ich gęstość wypornościowa (gęstość uwzględniająca stabilizator i otoczkę rozpuszczalnika) odpowiada gęstości gradientu. Należy zauważyć, że nanomateriał może w tym procesie przemieszczać się również w górę (w zależności od miejsca jego wstrzyknięcia). W ten sposób nanoarkusze są skutecznie sortowane według grubości, a nie masy (w przeciwieństwie do wirowania homogenicznego). Chociaż procedura ta daje unikalną możliwość sortowania nanoarkuszy według grubości, wiąże się ona z istotnymi wadami. Na przykład wydajność jest bardzo niska i obecnie nie pozwala na masową produkcję rozdzielonych nanoarkuszy. Wynika to częściowo z niskiej zawartości monowarstw w dyspersjach wyjściowych po eksfoliacji w cieczy, co potencjalnie może zostać poprawione poprzez optymalizację procedur eksfoliacji w przyszłości. Ponadto jest to zazwyczaj czasochłonny, wieloetapowy proces ultrawirowania wymagający wielokrotnych powtórzeń w celu uzyskania efektywnej selekcji rozmiaru. Co więcej, w przypadku nieorganicznych nanomateriałów metoda ta ogranicza się do dyspersji stabilizowanych polimerami w celu uzyskania wymaganych gęstości wypornościowych, a medium gradientowe w dyspersji może zakłócać dalsze przetwarzanie.
Wykazaliśmy niedawno, że procedura, którą nazywamy kaskadowym wirowaniem w cieczy (LCC), stanowi obiecującą alternatywę,13 co szczegółowo opiszemy w niniejszym manuskrypcie. Jest to procedura wieloetapowa, niezwykle wszechstronna, pozwalająca na projektowanie różnych kaskad w zależności od pożądanego efektu. Aby zaprezentować ten proces, w Rysunku 1 przedstawiono standardową kaskadę, która obejmuje wiele etapów wirowania, z których każdy charakteryzuje się wyższą prędkością niż poprzedni. Po każdym etapie osad jest zatrzymywany, a nadosad wykorzystywany w kolejnym kroku. W rezultacie każdy osad zawiera nanorurki w określonym zakresie wielkości, które zostały „uwięzione” pomiędzy dwoma wirowaniami o różnych prędkościach; niższa prędkość usuwa większe nanorurki do poprzedniego osadu, natomiast wyższa prędkość przenosi mniejsze nanorurki do nadosadu. Kluczowym elementem LCC jest możliwość całkowitego redyspergowania otrzymanego osadu za pomocą łagodnego sonikowania w odpowiednim medium, którym w tym przypadku jest wodny roztwór cholanu sodu H2O-SC (przy stężeniach SC tak niskich jak 0,1 g L-1). Wynikiem są dyspersje o niemal dowolnym wybranym stężeniu. Co istotne, w metodzie LCC praktycznie żaden materiał nie ulega zmarnowaniu, co pozwala na zebranie stosunkowo dużych mas nanoruktek o wyselekcjonowanej wielkości. Jak pokazano tutaj, zastosowaliśmy tę procedurę w przypadku szeregu nanoruktek otrzymanych poprzez eksfoliację w cieczy, w tym MoS2 i WS2 , a także GaS,15 fosforu czarnego16 i grafenu17, zarówno w systemach rozpuszczalnikowych, jak i surfaktantowych.
Ta unikalna procedura wirowania umożliwia efektywną selekcję rozmiarów nanorutek otrzymywanych poprzez eksfoliację w cieczy, co w konsekwencji pozwoliło na znaczący postęp w określaniu ich rozmiaru i grubości. W szczególności, za pomocą tego podejścia wykazaliśmy wcześniej, że widma ekstynkcji (i absorbancji) nanorutek zmieniają się systematycznie w zależności od wymiarów bocznych oraz grubości nanorutek. Jak podsumowujemy w niniejszej pracy, pozwoliło nam to powiązać profil spektralny nanorutek (konkretnie stosunek natężeń w dwóch pozycjach widma ekstynkcji) ze średnią długością nanorutek w wyniku efektów krawędziowych nanorutek.12,13 Co istotne, to samo równanie można wykorzystać do ilościowego określenia rozmiaru MoS2 i WS2. Ponadto wykazujemy, że pozycja ekscytonu A przesuwa się w stronę niższych długości fal w zależności od średniej grubości nanorutek z powodu efektów uwięzienia. Chociaż eksfoliacja, podobnie jak selekcja i wyznaczanie rozmiaru, są w ogólnym ujęciu procedurami dość odpornymi na błędy, wynik ilościowy zależy od detali protokołu. Jednakże, zwłaszcza dla osób nowo zajmujących się tą dziedziną, trudno jest ocenić, które parametry procesu są najistotniejsze. Wynika to z faktu, że sekcje eksperymentalne w artykułach badawczych dostarczają jedynie ogólnego protokołu, bez omawiania oczekiwanych wyników przy modyfikacji procedury lub podawania uzasadnienia merytorycznego dla protokołu. W niniejszym opracowaniu zamierzamy odnieść się do tych kwestii, a także przedstawić szczegółowy przewodnik i dyskusję dotyczącą produkcji nanorutek eksfoliowanych w cieczy o kontrolowanym rozmiarze oraz dokładnego wyznaczania rozmiaru za pomocą mikroskopii statystycznej lub analizy widm ekstynkcji. Jesteśmy przekonani, że pomoże to w poprawie powtarzalności i mamy nadzieję, że będzie to przydatny przewodnik dla innych eksperymentatorów w tym obszarze badań.
<img alt="Schemat frakcjonowania według wielkości z pobraniem osadu. Proces: etapy wirowania ω1-ω6." src="/files/ftp_upload/54806/54806fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Schemat selekcji rozmiaru za pomocą kaskadowego wirowania w cieczy. Nanosheety o wyselekcjonowanym rozmiarze są zbierane w postaci osadów. Każdy osad jest zbierany lub „wychwytywany” pomiędzy dwiema prędkościami wirowania (ω) zaczynając od niskich prędkości i stopniowo zwiększając je w kolejnych krokach. Osad odrzucony po pierwszej wirowce zawiera niezłuszczone krystality warstwowe, natomiast nadsącz odrzucony po ostatnim etapie wirowania zawiera nanoarkusze o ekstremalnie małych rozmiarach. Dyspersje o wyselekcjonowanej wielkości przygotowuje się poprzez ponowne rozproszenie zebranych osadów w tym samym medium (tutaj: wodnym roztworze surfaktanta) przy zastosowaniu mniejszych objętości. Zaadaptowano za zgodą 13. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/54806/54806fig1large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

<table><tbody><tr><td>Cholan sodu hydrat, z żółci wołowej i/lub owczej</td><td>Sigma Aldrich</td><td>C1254-100G</td><td>Surfaktant stosowany jako stabilizator w postaci roztworu wodnego (i.e., po rozpuszczeniu proszku w miliporowej wodzie)</td></tr><tr><td>MoS2 proszek</td><td>Sigma Aldrich</td><td>69860-100G</td><td>Dostępne są inne dystrybutory, ale złuszczanie i wynik wyboru rozmiaru mogą się różnić</td></tr><tr><td>WS2, proszek 2 &#956; m</td><td>Sigma Aldrich</td><td>243639-50G</td><td>Inni dystrybutorzy dostępni, ale złuszczanie i wynik wyboru rozmiaru mogą się różnić</td></tr><tr><td>ImageJ Twórca oprogramowania</td><td>: National Insitutes of Health</td><td>64-bit Java w wersji 2.45 1.6.0_24</td><td>Oprogramowanie do przetwarzania obrazu używane do analizy TEM, do pobrania za darmo</td></tr><tr><td>Gwyddion Twórca oprogramowania</td><td>: Czeski Instytut Metrologii</td><td>64-bitowa Java w wersji 2.45</td><td>Oprogramowanie do przetwarzania obrazu używane do analizy AFM, do pobrania za darmo</td></tr><tr><td>Oprogramowanie Origin Pro</td><td>OriginLab</td><td>Wersja 2016</td><td>Oprogramowanie używane do analizy danych, takich jak różnicowanie i dopasowanie widm ekstynkcji</td></tr><tr><td>Wirówka</td><td>HettichLab</td><td>Mikro 220R</td><td>odpowiednia jest każda inna wirówka stołowa</td></tr><tr><td>Rotor 1</td><td>Hettich</td><td>Rotor 1016</td><td>do wirowania < 5.000 x g</td></tr><tr><td>Rotor 2</td><td>Hettich</td><td>Rotor 1195-A</td><td>do wirowania >5.000 x g</td></tr></tbody></table>

przygotowanie ciekłych złuszczonych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego o kontrolowanym rozmiarze i grubości: najnowocześniejszy protokół

Preparation of Liquid-exfoliated Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets with Controlled Size and Thickness: A State of the Art Protocol

Podsumowujemy ostatnie postępy w produkcji płynnie złuszczonych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego (TMD) o kontrolowanym rozmiarze i grubości. Warstwowe kryształy dwusiarczku molibdenu (MoS2) i dwusiarczku wolframu (WS2) są złuszczane w wodnym roztworze środka powierzchniowo czynnego za pomocą sonikacji. W ten sposób uzyskuje się wysoce polidyspersyjne mieszaniny zawierające nanoarkusze o szerokim rozkładzie rozmiarów i grubości. Jednak w większości celów wymagane są określone rozmiary (zarówno pod względem wymiaru bocznego, jak i grubości). Na przykład duże i cienkie nanoarkusze są pożądane do zastosowań w elektronice (optycznej), podczas gdy małe nanoarkusze są interesujące do zastosowań katalitycznych. Dlatego wybór rozmiaru po złuszczeniu jest ważnym krokiem, którym się tutaj zajmiemy. Zapewniamy szczegółowy protokół dotyczący efektywnego doboru wielkości w dużych ilościach za pomocą wirowania kaskadowego cieczy oraz kwantyfikacji wielkości i grubości za pomocą statystycznej analizy mikroskopowej (mikroskopia sił atomowych i transmisyjna mikroskopia elektronowa). Porównanie MoS2 i WS2 pokazuje, że oba materiały są dobierane pod względem rozmiaru w podobny sposób według tej samej procedury. Co ważne, dyspersje nanoarkuszy o wybranych rozmiarach wykazują systematyczne zmiany w ich widmach optycznego ekstynkcji wraz z rozmiarem spowodowane efektami krawędzi i ograniczenia. Pokazujemy, w jaki sposób te zmiany optyczne są ilościowo powiązane z wymiarami nanoarkuszy i opisujemy, w jaki sposób średnia długość nanoarkuszy i liczba warstw mogą być niezawodnie wyodrębnione z widm ekstynkcji. Protokół złuszczania i doboru wielkości można zastosować do szerokiej gamy kryształów warstwowych, jak to wcześniej wykazaliśmy dla grafenu, siarczku galu (GaS) i czarnego fosforu.

Kaskadowe wirowanie w cieczy (Rycina 1) jest skuteczną techniką sortowania nanoarkuszy otrzymanych w drodze eksfoliacji w cieczy pod względem rozmiaru i grubości, co zilustrowano na Rycynie 2 dla MoS2 oraz WS2. Boczny rozmiar i grubość nanoarkuszy można scharakteryzować odpowiednio za pomocą statystycznej analizy TEM i AFM. Typowy obraz AFM przedstawiono na Rycynie 2A. Pozorną grubość nanoarkuszy przelicza się na lic...

Przedstawiono protokół płynnego złuszczania warstwowych materiałów do nanoarkuszy, ich wyboru rozmiaru i pomiaru rozmiaru za pomocą technik mikroskopowych i spektroskopowych.

Przygotowanie ciekłych złuszczonych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego o kontrolowanym rozmiarze i grubości: najnowocześniejszy protokół

We summarize recent advances in the production of liquid-exfoliated transition metal dichalcogenide (TMD) nanosheets with controlled size and thickness. ...

Celem niniejszego protokołu jest wytworzenie dwuwymiarowych nanoruestek stabilizowanych w cieczy o kontrolowanym rozmiarze bocznym i grubości z kryształów objętościowych. Prezentujemy również metody charakteryzacji morfologii oraz ilościowego określania wymiarów nanoruestek na podstawie widm ekstynkcji. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w nanonauce, takie jak wpływ wymiarów nanoruestek na właściwości struktur i kompozytów zawierających te arkusze eksfoliowane w cieczy.Główną zaletą tej techniki jest to, że można ją zastosować do wielu różnych rzeczywistych materiałów, a wymaga ona jedynie powszechnie dostępnego sprzętu laboratoryjnego. W szczególności wskaźniki spektroskopowe pozwalają na szybką ocenę otrzymanych dyspersji. Procedurę zaprezentują Farnia Rashvand, doktorantka, oraz Kevin Synnatschke, student studiów magisterskich z mojego laboratorium.Aby rozpocząć tę procedurę, umieść metalowy kubek pod sonotrodą w kąpieli lodowej. W metalowym kubku zanurz 0,6 g proszku dichalkogenku metalu przejściowego (TMD) w 80 ml wodnego roztworu surfaktantu cholanu sodu. Przesuń stałą, płaską końcówkę na dno metalowego kubka, a następnie podnieś ją o około jeden centymetr.Owiń sondę ultradźwiękową folią aluminiową, aby zapobiec rozpryskiwaniu. Aby przeprowadzić sonikację mieszaniny za pomocą sonikatora z sondą, ustaw amplitudę na 60% oraz impulsowanie na sześć sekund włączenia i dwie sekundy przerwy. Następnie włącz sonikator i prowadź proces przez jedną godzinę.Następnie odwiruj dyspersję przy 2 660 ×g przez 1,5 godziny. Po odlaniu nadsądu dodaj 80 mililitrów świeżego roztworu surfaktantu do osadu i wymieszaj zawiesinę. Następnie przelej mieszaninę z powrotem do metalnego kubka.Następnie poddaj dyspersję drugiej, dłuższej sonikacji przy użyciu stałej końcówki płaskiej przez pięć godzin przy amplitudzie 60% w kąpieli lodowej. Co dwie godziny przerwij sonikację i wymień lód w kąpieli. Niezłustrzyszowane cząstki usuń poprzez wirowanie przy 240 $\times$g przez dwie godziny.Po zakończeniu odrzuć osad. Następnie odwiruj nadsącz z większą przyspieszeniem odśrodkowym. Zbierz osad w trzech do ośmiu mililitrach świeżego roztworu surfaktantu.Odwiruj nadsącz przy jeszcze wyższym przyspieszeniu odśrodkowym 950 ×g przez dwie godziny. Następnie zbierz osad w trzech do ośmiu mililitrów świeżego roztworu surfaktantu. Do mikroskopii sił atomowych rozcieńcz dyspersję tak, aby była prawie przezroczysta dla ludzkiego oka.Następnie podgrzej podłoże krzemowe do temperatury około 170 °C na płycie grzejnej. Po tym nanieś dyspersję na podgrzane podłoże. Dokładnie wypłucz podłoże, używając co najmniej 5 mL wody oraz 3 mL 2-propanolu, aby usunąć pozostałości surfaktantu i inne zanieczyszczenia.Następnie umieść próbkę w urządzeniu AFM. Wykonaj i zapisz wiele obrazów różnych obszarów próbki za pomocą mikroskopu sił atomowych w trybie stukowym (tapping mode). W przypadku próbek zawierających większe nanoarkusze zwiększ pole widzenia do 8×8 µm² i stosuj prędkości skanowania od 0,4 do 0,7 Hz.Aby przeprowadzić pomiar grubości, otwórz oprogramowanie i wybierz odpowiedni obraz AFM poprzez Plik i Otwórz. Skoryguj tło, korzystając z danych poziomu poprzez odejmowanie średniej płaszczyzny, wyrównaj rzędy oraz usuń poziome smugi w sekcji przetwarzania danych menu Start. Zastosuj poprawki, zmień kolor obrazu dla lepszego kontrastu, klikając prawym przyciskiem myszy na legendzie, a następnie ustaw płaszczyznę Z na zero.Następnie powiększ wybrany obszar, klikając najpierw narzędzie Crop w menu Home. Następnie przeciągnij kursor po obrazie, aby zaznaczyć interesujący obszar, i naciśnij Apply. Zaznacz opcję create new channel, aby otworzyć wybrany obszar w nowym oknie.Wybierz opcję extract profiles z menu Tools i przeciągnij linię przez nanoarkusz. Po otwarciu okna z profilem grubości i długości, wpisz wartość grubości do tabeli. Przyjmij przybliżoną wartość mediany profilu grubości nanoarkusza, zachowując szczególną ostrożność, aby mierzyć wyłącznie pojedynczo osadzone i nieagregowane nanoarkusze.W celu akwizycji widma należy rozcieńczyć próbkę o wysokim stężeniu odpowiednim medium tak, aby absorpcja w całym zakresie widmowym była niższa niż dwa. W ustawieniach instrumentu należy ustawić przyrost dla akwizycji widma na 0,5 nanometrów. W ustawieniach instrumentu należy wybrać opcję odejmowania linii bazowej.Po umieszczeniu w spektrometrze kuwety zawierającej wodny roztwór cholanu sodu, przeprowadź pomiar. Następnie wyjmij kuwetę ze spektrometru i opróżnij ją. Do kuwety dodaj próbkę, a następnie umieść kuwetę w spektrometrze.Następnie przeprowadź pomiar. W oprogramowaniu do analizy danych i tworzenia wykresów zaznacz kolumnę zawierającą intensywność ekstynkcji. Kliknij zakładkę Analysis, wybierz Mathematics z menu rozwijanego, a następnie kliknij Differentiate.Następnie wybierz Open Dialog. Po otwarciu nowego okna ustaw rząd pochodnej na dwa i zatwierdź przyciskiem OK. Wybierz kolumnę zawierającą pochodną, kliknij Analysis, a następnie wybierz Signal Processing. Kliknij Smooth i wybierz Open Dialog z menu rozwijanego.Następnie wybierz metodę wygładzania Adjacent Averaging i ustaw liczbę punktów na 20. Wykreśl wynikowe wygładzone widmo, które zostanie wyświetlone jako nowe kolumny. Na koniec odczytaj pozycję piku z drugiej pochodnej, umieszczając kursor w centrum piku.Kaskadowe odśrodkowanie w fazie ciekłej jest wykorzystywane do sortowania nanorukawów otrzymywanych poprzez eksfoliację w cieczy pod względem rozmiaru i grubości, co wykazano dla dwusiarczku molibdenu i wolframu. Poniżej przedstawiono typowy obraz AFM. Grubość nanorukawów jest przeliczana na liczbę warstw przy użyciu analizy wysokości stopnia.Statystyczna analiza mikroskopowa pozwala na uzyskanie histogramów długości oraz liczby warstw. Średnia długość nanoarkuszy i liczba warstw wykreślone w funkcji przyspieszenia centralnego wykazują podobną tendencję dla obu materiałów. Wykres długości w funkcji liczby warstw nanoarkuszy potwierdza, że mniejsze i cieńsze nanoarkusze są oddzielone od większych i grubszych.Przedstawiono tutaj widma ekstynkcji optycznej dwusiarczku molibdenu i wolframu o różnych średnich rozmiarach i grubościach nanoarkuszy. Odpowiadające im dopasowane drugie pochodne obszaru ekscytonu A ilustrują wyraźne przesunięcia piku przejścia. Dane dla obu materiałów pokrywają się na tej samej krzywej, jeśli zostaną wybrane odpowiednie pozycje piku, co oznacza, że rozmiar nanoarkusza można ilościowo powiązać z jego długością za pomocą tych samych równań.Współczynnik ekstynkcji ekscytonu A jest zależny od długości, z wyjątkiem określonych pozycji, dzięki czemu odpowiadający mu współczynnik ekstynkcji może służyć jako miara stężenia nanoarkuszy. Liczbę warstw można ilościowo powiązać z pozycją piku ekscytonu A. Po opanowaniu tej metody, w ciągu zaledwie kilku dni można wyprodukować duże ilości dyspersji nanoarkuszy otrzymywanych poprzez eksfoliację w cieczy, o kontrolowanych i znanych wymiarach.Jest to możliwe dzięki wysokoprzepustowemu określaniu rozmiaru na podstawie optycznych widm ekstynkcji. Ponieważ rozmiar nanorurki determinuje jej właściwości, kontrola rozmiaru jest kluczowa. Po opracowaniu odpowiednich wskaźników technika ta utorowała drogę badaczom do eksploracji ich zastosowań w wielu obszarach, od elektrokatalizy, przez elektronikę, aż po wzmacnianie kompozytów.Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przygotowywać dyspersje nanoruków o wyselekcjonowanym rozmiarze, wykorzystując procedury złuszczania w fazie ciekłej oraz kaskadowego wirowania w cieczy. Po przygotowaniu dyspersji bardzo ważne jest przeprowadzenie podstawowej charakterystyki za pomocą mikroskopii statystycznej oraz spektroskopii ekstynkcji optycznej, aby potwierdzić naturę składników dyspersji. Co najważniejsze, tak otrzymane dyspersje nanoruków o wyselekcjonowanym rozmiarze mogą być następnie poddawane różnym metodom przetwarzania w fazie ciekłej w celu wytworzenia cienkich warstw i innych struktur zawierających nanoruki, przeznaczonych do szerokiego zakresu potencjalnych zastosowań.

preparation-liquid-exfoliated-transition-metal-dichalcogenide

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiono różne procedury przygotowania atomowo zdefiniowanych szablonów do epitaksjalnego wzrostu złożonych cienkich warstw tlenkowych. Przeprowadzono obróbkę chemiczną monokrystalicznych substratów SrTiO3 (001) i DyScO3 (110) w celu uzyskania atomowo gładkich, jednozakończonych powierzchni. Ca2 Nb3 O10- nanoarkusze wykorzystano do stworzenia atomowo zdefiniowanych szablonów na dowolnych podłożach.

Atomowo zdefiniowane matryce do epitaksjalnego wzrostu złożonych cienkich warstw tlenkowych

Prezentujemy syntezę amfifilowego heksaynu i jego zastosowanie w przygotowaniu nanoarkuszy węglowych na granicy powietrza i wody z samoorganizującej się monowarstwy tych reaktywnych, bogatych w węgiel prekursorów molekularnych.

Przygotowanie nanoarkuszy węglowych w temperaturze pokojowej

Opisujemy metodologię mechanicznego złuszczania i osadzania płatków nowych materiałów o wymiarach mikronowych na podłożu, wytwarzania eksperymentalnych struktur urządzeń do eksperymentów transportowych oraz pomiaru magnetotransportu w suchym helu w zamkniętym cyklu w temperaturach do 0,300 K i polach magnetycznych do 12 T.

Zaawansowane metody eksperymentalne do niskotemperaturowych pomiarów magnetotransportu nowych materiałów

Poprzez siarkowanie wstępnie osadzonych metali przejściowych, można wytwarzać heterostruktury krystaliczne o dużej powierzchni i pionowe 2D. W niniejszym raporcie przedstawiono również procedury przenoszenia folii i produkcji urządzeń.

Otrzymywanie wielkopowierzchniowych pionowych heterostruktur krystalicznych 2D poprzez siarkowanie warstw metali przejściowych do wytwarzania urządzeń

Tutaj prezentujemy protokół do kontrolowania liczby nośników w ciałach stałych za pomocą elektrolitu.

Sterowanie polem elektrycznym stanów elektronowych w nanourządzeniach WS2 za pomocą bramkowania elektrolitu

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.

Otrzymywanie i charakterystyka hybrydowych nanostruktur C60/grafen

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania wielościanów 3D na bazie grafenu za pomocą samoczynnego składania podobnego do origami.

Wytwarzanie trójwymiarowych wielościanów na bazie grafenu za pomocą samoczynnego składania podobnego do origami

Przedstawiono metodę syntezy nanofluidów grafenowych o kontrolowanym rozkładzie wielkości płatków.

Synteza nanofluidów grafenowych z kontrolowanym rozkładem wielkości płatków

Przedstawiono protokół przygotowania mikrodobitkowych komórek płynnych z grafenem do mikroskopii elektronowej in situ nanokryształów złota z roztworu prekursorowego HAuCl4. Ponadto przedstawiono procedurę analizy w celu ilościowego określenia obserwowanego trawienia i dynamiki wzrostu.

Przygotowanie ciekłych komórek mikrostudzienkowych na bazie grafenu do transmisyjnej mikroskopii elektronowej in situ

Tutaj prezentujemy protokół syntezy dwóch chalkogenków metali (Cu1.8S i SnSe) odpowiednich dla termoelektryki poprzez ultraszybką (drugi zakres), bezrozpuszczalnikową i jednoetapową syntezę mechanochemiczną przy użyciu prekursorów pierwiastkowych. Jednocześnie demonstrujemy monitorowanie temperatury w słoiku podczas planetarnego mielenia kulowego in situ przez nowo opracowane urządzenie.

Demonstracja prostoty i monitorowania temperatury in situ mechanochemicznej syntezy chalkogenków metali odpowiednich do zastosowań termoelektrycznych

Ten artykuł przedstawia zoptymalizowany, oparty na doświadczeniu protokół wytwarzania wysokiej jakości urządzeń z supersieci mory na bazie grafenu z precyzyjnymi kątami skrętu, wykorzystując zmodyfikowaną technikę suchego transferu opartą na wysoce przestrajalnym, niestandardowym zestawie transferu.

Zoptymalizowana procedura produkcji wysokiej jakości urządzeń z efektu mory superkratowej na bazie grafenu

Poznaj metodę przygotowania ciekłych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego MoS₂ i WS₂ o kontrolowanym rozmiarze i grubości. Protokół obejmuje sonikację, kaskadową centrifugację oraz charakteryzację mikroskopową i spektroskopową.

Przygotowanie ciekłych złuszczonych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego o kontrolowanym rozmiarze i grubości: najnowocześniejszy protokół (Wideo) | JoVE Journal

Przygotowanie ciekłych złuszczonych nanoarkuszy dichalkogenku metalu przejściowego o kontrolowanym rozmiarze i grubości: najnowocześniejszy protokół

Przeglądaj więcej filmów