Mikroskopowa wizualizacja porowatych nanografenów zsyntetyzowanych przez połączenie roztworu i chemii powierzchniowej

Połączenie roztworu i chemii na powierzchni wprowadza do naszego życia nowe materiały na bazie węgla. Nowoczesne techniki obrazowania, takie jak skaningowa mikroskopia tunelowa lub mikroskopia sił atomowych, zapewniają szczegółowy wgląd w strukturę, skład i właściwości nowo zaprojektowanych i zsyntetyzowanych związków aż do pojedynczych atomów. Rozpocznij od wypłukania monokryształu złota, całkowicie zanurzając go w zlewce laboratoryjnej wypełnionej acetonem i przykryj szklaną zlewkę Parafilmem.

Następnie wyczyść próbkę w płuczce ultradźwiękowej przez pięć minut. Zamontuj złoty monokryształ na uchwycie próbki i odpowietrz blokadę obciążenia. Przenieś próbkę do systemu UHV w celu podgrzania jej do temperatury powyżej 100 stopni Celsjusza przez kilka godzin.

Wyżarzać próbkę w temperaturze 450 stopni Celsjusza za pomocą grzałki rezystancyjnej zamontowanej w komorze przygotowawczej przez 15 minut. Kontrolowanie temperatury za pomocą termopary typu K. Po skalibrowaniu pistoletu za pomocą luminoforu należy ustawić próbkę i wyregulować odległość między pistoletem a próbką z dokładnością do 50 milimetrów. Podczas wyżarzania należy napylać próbkę jonami argonu.

Nie zapomnij wyłączyć pompy jonowej i pompy sublimacyjnej przed otwarciem zaworu gazowego. Wykonać rozpylanie próbki za pomocą pistoletu jonowego zorientowanego pod kątem 45 stopni w stosunku do powierzchni próbki przy ciśnieniu gazu ustawionym na pięć na 10 promieni o mocy minus siedem milibarów. Po zakończeniu cykli czyszczenia sprawdź jakość próbki złota 111 za pomocą STM.

Przesuń z powrotem komórkę Knudsena i zamknij zawór między komórką Knudsena a komorą przygotowawczą przed odpowietrzeniem komory Knudsena. Napełnij dedykowany tygiel kwarcowy około jednym miligramem proszku molekularnego i prawidłowo umieść tygiel w komórce Knudsena. Po zamontowaniu celi Knudsena na zaworze w komorze przygotowawczej, należy ją odpompować za pomocą zewnętrznej pompy próżniowej.

Nie otwieraj zaworu między komorą przygotowawczą a komorą Knudsena, dopóki nie zostanie przepompowany, aby uniknąć zanieczyszczenia komory przygotowawczej. Przenieść próbkę czystego złota z komory mikroskopu do komory przygotowawczej. Następnie ustaw próbkę bezpośrednio w jednej linii z kuwetą Knudsena i dostosuj odległość między próbką a parownikiem tak, aby wynosiła od 50 do 100 milimetrów.

Próbkę należy trzymać skierowaną z dala od komórki Knudsena, aby uniknąć niekontrolowanego osadzania się materiału molekularnego. Włącz ogniwo Knudsena i ustaw temperaturę skalibrowaną wcześniej za pomocą mikrowagi kwarcowej do odparowywania cząsteczek. Osadź cząsteczki, obracając próbkę tak, aby była skierowana w stronę komórki Knudsena i utrzymuj próbkę w tej pozycji przez cztery minuty.

Następnie obrócić próbkę tak, aby była skierowana w stronę przeciwną od celi Knudsena i wyłączyć komórkę Knudsena, aby zatrzymać parowanie. Wyżarzać próbkę cząsteczkami w temperaturze 320 stopni Celsjusza przez 15 minut, a następnie do 370 stopni Celsjusza przez 15 minut. Po każdym etapie wyżarzania zmierz próbkę za pomocą LTSTM w połączeniu z AFM, aby zbadać aktualny etap eksperymentu i zweryfikować obecność i rodzaj generowanych obiektów.

Gdy blokada jest wyłączona, zbliż się do powierzchni próbki za pomocą końcówki STM. Najpierw wykonaj podejście kursowe za pomocą napędu Z. Podczas podejścia obserwuj końcówkę STM i jej lustrzane odbicie za pomocą kamery.

Następnie zbliżyć próbkę do odległości tunelowania za pomocą oprogramowania mikroskopu. Następnie cofnij końcówkę dwa do trzech kroków od powierzchni. Włącz blokadę i ustaw jej parametry, takie jak częstotliwość, amplituda i stała czasowa.

Monitoruj sygnał IT. Zmieniając fazę wzmacniacza lock-in, zminimalizuj sygnał IT do około zera. Podejście do powierzchni.

Następnie skalibruj DIDV na czystej złotej powierzchni 111, szukając położenia i kształtu stanu powierzchni Shockleya. W przypadku mapowania DIDV ustaw niską wartość szybkości skanowania. Po schłodzeniu próbki w mikroskopie otwórz zawór na 1,5 minuty i ustaw ciśnienie tlenku węgla na pięć na 10 podniesione do mocy minus osiem milibarów.

Sprawdź przykład w obszarze STM. Gdy końcówka jest metaliczna, cząsteczki tlenku węgla na powierzchni złota wykazują specyficzny kontrast. Aby podnieść pojedynczą cząsteczkę, umieść końcówkę nad cząsteczką tlenku węgla i cofnij końcówkę o co najmniej 0,3 nanometra.

Zwiększ napięcie do trzech woltów przed przywróceniem końcówki do wstępnie zdefiniowanej pozycji. Nagła zmiana wartości I wskazuje na proces manipulacji wychwytem tlenku węgla. Sprawdź, czy zmienił się kontrast STM cząsteczki CO.

Obraz przedstawia typowy wygląd zarejestrowany przy napięciu 0,5 V i 15 pikoamperach. Po wykonaniu skanu STM wybierz oddzieloną pojedynczą cząsteczkę do pomiarów NC-AFM. Znajdź odpowiednią płaszczyznę Z równoległą do płaszczyzny cząsteczki.

Cofnij końcówkę od powierzchni o około 0,7 nanometra i wyłącz pętlę STM. Mikroskop jest gotowy do rozpoczęcia pomiarów NC-AFM. Pierwszy etap cyklo-odwodornienia osiąga się poprzez wyżarzanie prekursorów molekularnych w temperaturze 320 stopni Celsjusza, w wyniku czego powstają izolowane śmigła molekularne.

Niepłaską konformację cząsteczek można wywnioskować z ich wyglądu STM z trzema dostrzegalnymi jasnymi płatami. Końcowe cyklodwodornienie daje pory anilinowe i osiąga się, gdy próbka jest podgrzewana do 370 stopni Celsjusza, w wyniku czego powstaje mieszanina molekularna z pojedynczymi jednostkami zawierającymi jeden, dwa lub trzy osadzone pory. Szczegółową charakterystykę strukturalną uzyskuje się za pomocą pomiarów NC-AFM o rozdzielczości wiązania, które wykazują obecność trygonalnego porowatego nanografenu.

Centralny pierścień fenylowy znajduje się bliżej powierzchni złota. Pojawienie się nanografenu sugeruje, że struktura przyjmuje konformację niepłaską, ze względu na oddziaływania steryczne między atomami wodoru wewnątrz porów aniliny. Jednopunktowe mapowanie STS i przestrzenne mapowanie STS zapewniają bezprecedensowy wgląd we właściwości obiektów w nanoskali o rozdzielczości submolekularnej.

Rezonans zarejestrowany przy napięciu minus 1,06 V może być powiązany z najwyższym zajętym orbitalem molekularnym, podczas gdy ten uzyskany przy napięciu 1,61 V jest zdominowany przez najniższy niezajęty orbital molekularny. Synteza na powierzchni toruje drogę do naszych niskowymiarowych, anatomicznie precyzyjnych systemów, takich jak cząsteczki nanometryczne, wiązania anilinowe grafenu i nowe alotropy węgla. Inspiruje również rozwój magnetyzmu opartego na węglu lub nowych funkcjonalnych urządzeń.