Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Sıvı dağılmış Geçiş Metal dikalkogenid Kontrollü Boyutu Nanosheets ve Kalınlığının Hazırlanması: Sanat Protokolü Bir Devlet

Published: December 20, 2016 doi: 10.3791/54806
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 2, 1, 2
1Chair of Applied Physical Chemistry, Ruprecht-Karls University Heidelberg, 2School of Physics and CRANN, Trinity College Dublin

Summary

nanosheets katmanlı malzeme, sıvı pul pul dökülme için bir protokol, mikroskopik ve spektroskopik tekniklerle boyutu seçimi ve boyut ölçümü sunulmuştur.

Introduction

olasılık onları enerji depolama ve dönüşüm ve esnek (opto) elektronik, kompozit malzemeler, sensörler gibi uygulamalar giderek büyüyen bir aralığı için umut verici maddeler yapar sıvı fazda iki boyutlu (2D) kristalleri üretmek ve süreç grafen, ilgili. 1-6 on-demand yanal boyutu ve nano ölçekli bileşenlerin kalınlığı, yanı sıra endüstriyel ölçekli baskı / kaplama işlemlerinde mükellef kontrollü reolojik ve morfolojik özellikleri ile ucuz ve güvenilir işlevsel mürekkepleri gerektirir bu gibi uygulamalar içinde 2B nanomalzemeleri yararlanmak için. 7 Bu bağlamda, sıvı faz pul pul dökülme büyük miktarlarda nano bir bütün ana erişim sağlayan önemli bir üretim tekniği haline gelmiştir. 6,8,9 Bu yöntem, sıvılarda tabakalı kristallerin sonikasyon veya kesme içerir. Sıvı, uygun (yani, uygun çözücüler ya da yüzey aktif madde) seçilirse nanosheets sn olacaktırreaggregation karşı tabilized. Çeşitli uygulamalar ve kanıtı prensibi cihazları, teknikler ile gösterilmiştir. Çok sayıda katmanlı ebeveyn kristalleri Pullu ve istenen uygulama için uygun olabilir malzemelerin geniş bir paleti erişim sağlayan, benzer şekilde işlenebilir olarak 6 Muhtemelen bu stratejinin en büyük gücü, çok yönlü olmasıdır.

Ancak, bu son gelişmelere rağmen, (nanosheet boy ve kalınlıkta açısından) nedeniyle bu sıvı faz üretim yöntemleri doğar bileşke polidispersite hala yüksek performanslı cihazların gerçekleştirilmesinde bir darboğaz sunar. Bu yeni ve yenilikçi boyutu seçimi tekniklerinin geliştirilmesi bugüne kadar sıkıcı istatistiksel mikroskobu (atomik kuvvet mikroskobu, AFM ve / veya iletim elektron mikroskobu, TEM) kullanarak nanosheets uzunluğu ve kalınlığı karakterizasyonu gerektirmiştir çoğunlukla çünkü.

Bu zorluklara rağmen, several santrifüj leme teknikleri uzunluk ve kalınlık sıralama elde etmek için rapor edilmiştir. 6,10-13 basit senaryoda dispersiyon, belirli bir merkezkaç ivmesi santrifüjlendi ve üste çıkan sıvı analiz için boşaltılır homojen bir santrifüj, bir. Santrifüj hızı daha küçük, hız yüksek süpernatant nanosheets olan sayede boyutu cut-off, ayarlar. Bununla birlikte, bu teknik, iki önemli dezavantajı vardır; Daha büyük nanosheets seçilen söz konusu olduğu zaman ilk olarak, bütün küçük nanosheets da örnek kalır (yani, dispersiyon düşük hızlarda santrifüj uygulanır ve süpernatant dekantasyon işleminden geçirilir). İkinci olarak, bağımsız olarak santrifüjleme hızı, malzemenin önemli bir bölümü tortu boşa eğilimindedir.

boyut seçimi için alternatif bir strateji yoğunluk gradyan (veya İzopiknik) santrifüj olduğunu. Bu durumda, 11,14, dispersiyon bir santrifüj tüpü co enjekte edilirbir yoğunluk gradyan orta ntaining. ultrasantrifüj (tipik olarak> 200,000 x g) sırasında, bir yoğunluk gradyan oluşturulur ve nanosheets kendi yüzer yoğunluk (stabilizatör ve çözücü kabuk içeren yoğunluğu) gradyanı yoğunluğunu eşleşen santrifüj noktasına hareket eder. nano malzeme de (enjekte edildi nerede bağlı olarak) bu işlem sırasında yukarı doğru hareket unutmayın. Bu şekilde, nanosheets etkili kalınlık yerine kütle (homojen santrifüj karşı) göre sınıflandırılmaktadır. Bu prosedür, kalınlığı ile nanosheets sıralamak için benzersiz bir fırsat sunmaktadır da, önemli dezavantajı vardır. Örneğin, verim çok düşük olup, bu da ayrılmış nanosheets seri üretimi için izin yoktur. Bu sıvı-pul pul dökülme sonra hazır dispersiyonlar içinde mono-tabaka içeriği düşük kısmen ilgilidir ve potansiyel olarak gelecek eksfoliasyon prosedürleri optimize edilmesi ile geliştirilebilir. Buna ek olarak, tipik olarak zaman alıcı bir çok aşamalı birverimli boyut seçimi ulaşmak için birden fazla yineleme içeren Ultrasantrifügasyon süreci. Ayrıca inorganik nano durumunda, gerekli yüzer yoğunlukları elde etmek için, polimer stabilize dispersiyonlar ile sınırlıdır ve dispersiyon içinde gradyan ortam ayrıca işleme müdahale edebilir.

Bir prosedür biz vadeli likit kaskad santrifüj (LCC) heyecan verici bir alternatif sunuyor Biz son zamanlarda gösterdi 13 olarak biz de olacak bu yazının ayrıntı. Bu arzu edilen sonuca göre dizayn edilecek çok yönlü, çeşitli kaskadlar izin bir çok adımlı bir işlemdir. Bu işlemi göstermek için, standart bir çağlayan Şekil 1'de tasvir ve her geçen daha yüksek bir hıza sahiptir bu sayede birden fazla santrifüj adımları içerir edilir. Her adımdan sonra, tortu tutulur ve yüzer madde daha sonra işlem aşaması kullanılır. Bunun bir sonucu olarak, her bir tortu, belirli bir bölgesindeki nanosheets içerirFarklı hızlarda iki santrifüj işlemi arasında "sıkışıp" olan boyut aralığı; yüksek hız süpernatant içine küçük nanosheets kaldırır ise alt bir önceki tortu içine büyük nanosheets kaldırarak. LCC için kritik, elde edilen tortu, bu durumda (0.1 g L-1 kadar düşük SC konsantrasyonlarda), sulu sodyum kolat H2O-Sc ilgili ortam, hafif sonikasyon ile tamamen yeniden dağıtılmaktadır. Sonuç hemen hemen herhangi bir seçilen konsantrasyon ile dispersiyonlar olup. Önemli bir şekilde, hemen hemen hiç bir materyal ebat bakımından seçilmiş nanosheets nispeten büyük kitleler toplanması ile sonuçlanan LCC boşa gitmektedir. Burada görüldüğü gibi, biz MoS 2 ve WS 2 yanı sıra gaz, 15 siyah fosfor 16 ve solvent ve yüzey aktif sistemlerde hem de grafen 17 olmak üzere sıvı dağılmış nanosheets bir dizi için bu yordamı uyguladık.

Bu eşsiz santrifüj prosedüründee sıvı dağılmış nanosheets etkin boyut seçim sağlar ve daha sonra boyutu ve kalınlık tespiti bakımından önemli bir gelişme sağlamıştır. Özellikle, bu yaklaşım aracılığıyla nanosheets optik sönüm (ve absorbans) spektrumu, her iki nanosheets fonksiyonu olarak sistematik değişen boyutlar ve nanosheets kalınlığı yanal daha önce gösterilmiştir. Burada özetlemek gibi, bu bizi nanosheet kenar etkileri sonucunda ortalama nanosheet uzunluğuna nanosheet spektral profil (sönme spektrumun iki pozisyonlarında özellikle yoğunluk oranı) bağlamak için izin verdi. 12,13 Önemli olarak, aynı denklemi Otoyollarının 2 ve WS 2 boyutunu ölçmek için kullanılabilir. Ayrıca, A-exciton konumu nedeniyle sınırlandırıcı etkileri ortalama nanosheet kalınlığının bir fonksiyonu olarak daha düşük dalga boylarında doğru kaydırır göstermektedir. Hatta pul pul dökülme, yanı sıra boyutu seçimi ve belirlenmesi olsa genel ziyade soymak vardırust prosedürleri, kantitatif sonuçlar protokolünde incelikleri bağlıdır. Bununla birlikte, özellikle bu amaç için yeni gelen, en uygun olan işlem parametreleri değerlendirmek için zordur. Bu araştırma kağıtları deneysel bölümleri sadece prosedürü değiştirerek veya protokol arkasında rasyonel verirken sonuç beklenebilir ne olduğunu tartışırken olmadan, kaba bir protokol sağlamak aslında aşağı gelir. Bu katkı, biz bu hitap yanı sıra istatistiksel mikroskopi veya nesli spektrumlarının analizi biri tarafından boyutunun doğru belirlenmesi kontrollü boyutta sıvı dağılmış nanosheets üretimine ve ayrıntılı bir rehber ve tartışma sağlamak niyetinde. Biz bu tekrarlanabilirlik geliştirmek için yardımcı olacaktır eminiz ve bu araştırma alanındaki diğer deneyselciler için yararlı bir rehber olacağını umuyoruz.

Şekil 1
Figu1 re: Sıvı kaskad santrifüj boyutu seçimi şematik. Boyutu seçilmiş nanosheets çökelleri olarak toplanır. Her tortu toplanmış ya da iki santrifüj hızlarında (ω) düşük hızlarda başlayan ve adım adım daha yüksek olanlara gitmeden arasında "sıkışıp" dir. Son santrifüj aşamasından sonra üstteki sıvı atıldı son derece küçük nanosheets içerirken birinci santrifüj sonrası atılması tortu unexfoliated tabakalı kristalitleri vardır. Boyutu seçilmiş dispersiyonlar düşük hacim aynı ortamı (buradan sulu yüzey aktif madde çözeltisi) toplanan tortu tekrar dağıtılmasıyla hazırlanır. 13 izniyle uyarlanmıştır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Sıvı Eksfoliasyonu - Uygun Stok Dispersiyonlar hazırlanması

  1. Bir buz banyosu içinde Sonotrode altında bir metal kabı monte edin.
  2. Metal kap içinde, sodyum kolat (SC) yüzey aktif (sodyum kolat konsantrasyonu, Cı SC = 6 g L-1), 80 ml sulu çözelti içinde TMD tozun 1.6 g bırakın.
  3. Metal fincan altına sonik ucu hareket ettirin ve sonra ~ 1 cm kadar. dökülmesini önlemek için sonik prob etrafında alüminyum folyo sarın.
  4. % 60 genlik (6 s, 2 s kapalı darbe) 1 saat boyunca, bir katı düz başlı ucu (750 W işlemci) ile ısınmayı önlemek için prob sonikasyon ile buzla soğutma altında karışım sonikasyon.
  5. 1.5 saat boyunca 2.660 x g bir santrifüjleme hızında dispersiyon santrifüjleyin. Yabancı maddeleri ihtiva eden Süpernatant atın ve 80 ml taze yüzey çözeltisi içinde tortu (C SC = 2 g L -1) toplamak.
    NOT: Maksimum 10 cm santrifüj tüplerine maksimum doldurma yükseklikleri kullanın. Diğrwise, santrifüj süresini artırın.
  6. uzun sonikasyon% 60 genlik buzla soğutma altında (6 s, 2 s kapalı darbe), 5 saat boyunca bir katı düz başlı ucunu kullanarak bir ikinci dispersiyon Konu. sonikasyon duraklatırken buz banyosu her 2 saatte değiştirin.

Sıvı Cascade Santrifüj ile 2. Nanosheet Boyut Seçimi

NOT: boyutu, sırayla santrifüj ivme artan sıvı kaskad santrifüj nanosheets seçmek için (Şekil 1) uygulanır. Aşağıdaki yordam TMDS durumunda çağlayan standart boyutu seçimi olarak tavsiye edilir. Diğer malzemeler için, santrifüj hızları ayarlanması gerekebilir.

  1. 240 xg (1.5 krpm), 2 saat santrifüj ile unexfoliated tozu çıkarın. tortu atın.
  2. Daha yüksek merkezkaç ivme süpernatant santrifüj: 425 xg (2 krpm), 2 saat. azaltılmış hacmi (3-8 ml) taze yüzey sedimenti toplayın.
  3. santrifüjdaha yüksek merkezkaç ivme süpernatant: 950 xg (3 krpm), 2 saat. azaltılmış hacmi (3-8 ml) taze yüzey sedimenti toplayın.
  4. Aşağıdaki santrifüj ivmeler ile bu işlemi tekrarlayın: 1700 xg (4 krpm), 2650 xg (5 krpm), 3500 xg (6 krpm), 5500 xg (7.5 krpm), ve 9750 xg (10 krpm).

İstatistiksel Mikroskopi Nanosheets Boyutu ve Kalınlığının 3. Belirlenmesi

NOT: spektroskopik ölçütleri zaten mevcut değilse, bölüm 3 atlanır veya azaltılmış, yani her bir örnek için yürütülen değildir olabilir.

  1. Uzunluk: Transmisyon elektron mikroskobu (TEM)
    1. tortu
      1. Su ile yüksek konsantrasyon dağılımlarını sulandırmak onlar renkte ışık böylece (yüzey konsantrasyonunu azaltmak için). Bırak fazla çözücü uzak fitil bir filtre zarı üzerine yerleştirilir (örneğin holey karbon, 400 meş için) bir ızgara üzerine attı.
    2. Görüntüleme
      1. Tutanak çoklu imagızgara üzerinde farklı pozisyonlarda es. nanosheet büyüklüğüne bağlı olarak görüş alanını ayarlayın. Kapsamlı bir TEM görüntüleme eğitim için başvuru 18 bkz.
    3. İstatistiksel uzunlukta analizi ImageJ kullanılarak gerçekleştirildi
      1. , ImageJ yazılımı açın "Dosya" menüsünden ve "açık" görüntü ile ilgili TEM resmi seçin. görüntü yeni bir pencere açılacaktır.
      2. "Analiz" sekmesini tıklayın. Açılır menüden "set ölçeği" seçin. Yeni bir pencere açılacaktır. , "Ölçek kaldır" Click "küresel" kene ve "Tamam" düğmesine tıklayın.
      3. "Çizgi" aracını seçin. TEM görüntünün ölçeği çubuğunun uzunluğu boyunca bir çizgi profili çizin.
      4. "Analiz" tıklayın. Açılır menüden "set ölçeği" seçin. "Bilinen mesafe" kutusuna nm çaplı çubuğun uzunluğunu girin ve "Tamam" a tıklayın.
        NOT: ölçek çubuğunda çizilen çizginin mesafe piksel cinsinden görüntülenir. "Çizgi" aracını seçin ve nanosheet en uzun ekseninin bir çizgi profili çizerek nanosheet uzunluğunu ölçün.
      5. Basın "kontrol + M" ölçmek için. "Sonuçlar" etiketli yeni bir kutu "uzunluk" sütununda görüntülenen nanosheet uzunluğu ile açılır.
      6. görüntüdeki tüm bireysel yatırılan nanosheets (değil toplanmış olanlar) için yineleyin 3.1.3.6.
      7. Yeni bir resim açarken, tekrar 3.1.3.3- 3.1.3.7 adımları. 150 nanosheets uzunluğunu sayın.
        NOT: Tüm nanosheet uzunluğu veri "sonuç" penceresinde derlenmiştir ve daha fazla işlem için diğer programlara kopyalanabilir.
  2. Kalınlığı: Atomik kuvvet mikroskobu (AFM)
    1. insan gözünün neredeyse şeffaf böylece dağılımını seyreltin (tükenme yoğunluğuna karşılık gelen ideal ~ 400 nm dalga boyunda 0,2 1 başına cm yol uzunluğu). yüzey aktif dağılımlar durumunda, yüzey aktif olmayan, su ile seyreltilir.
    2. Düşürmek-Önceden ısıtılmış gofret döküm. Su bazlı dispersiyon için, sıcak plaka ve mevduat 0,5 x 0,5 cm 2 gofret başına 10 uL üzerinde gofret için ~ 170 ° C ısıtın.
    3. kalıntı yüzey aktif madde ve diğer yabancı maddeleri uzaklaştırmak için su ile iyice 5 mL 2-propanol, 3 mL minimum gofret durulayın.
    4. Tarama ve modu dokunarak AFM ile numune üzerinde birden fazla görüntü kaydetmek. Küçük nanosheets için en fazla 2 x 2 mikron 2 görüntü ve görüntü boyutları başına 512 hatlarının bir çözünürlüğü kullanın. Büyük nanosheets içeren numuneler için, en fazla 8 x 8 mm 2 görüş alanını arttırır. Uygun (genellikle 0,4-0,7 Hz) olarak tarama hızları kullanmak. Alternatif olarak, yüksek çözünürlükte geniş alanları taramak.
    5. Gwyddion Yazılımı kullanarak kalınlık ölçümü
      1. yazılımını açın ve "dosya" ve "açık" üzerinden ilgili AFM resmi seçin. görüntü yeni bir pencere açılacaktır.
      2. Ortalama uçak su tarafından "seviye verileri kullanılarak arka plan düzeltinbtraction "" satırları hizalamak "ve" doğru yatay izleri "ev menüsünün" Bilgi İşlem "bölümünde. düzeltmeleri uygulayın, efsane sağ tıklayarak daha iyi kontrast görüntü rengini değiştirmek ve sıfıra z-düzlemi ayarlayın.
      3. (Uygun ise) seçim bölgesinde büyüt. Ana menüdeki "kırpma" aracını tıklayın. seçim bölgesini işaretlemek için resmin üzerine imleci sürükleyin. Basın "uygulanır". yeni bir pencerede seçili bölgeyi açmak için "oluşturmak yeni kanalı" kontrol edin.
      4. araçlar menüsünden "özü profilleri" seçeneğini seçin. Yeni bir pencere açılır.
      5. nanosheet boyunca bir çizgi çizin. Bir tablodaki kalınlığı yazın. homojen olmayan bir şekilde kalın nanosheets durumunda, nanosheet boyunca kalınlığı ortalama. Sadece bireysel olarak yatırılan ve toplu olmayan nanosheets ölçmek için aşırı özen gösterin.
      6. görüntü tüm nanosheets için 3.2.5.3-3.2.5.5 tekrarlayın.
      7. Tüm görüntü için 3.2.5.1-3.2.5.6 tekrarKaydedilen s. Minimum 150 nanosheets sayın.
  3. Katman sayısı AFM kalınlığı Dönüşüm
    Not: sıvı dağılmış nano belirginlik AFM yükseklikleri genellikle kalıntı çözücü varlığı abartılmıştır. Buna ek olarak, AFM kullanılarak (örneğin yüzeyler üzerinde biriken nanomateryallerin gibi) homojen olmayan örneklerin doğru yükseklik ölçümleri nedeniyle bu tür materyal ve ölçme parametrelere bağlı kılcal güçleri ve yapışma gibi etkilerden katkılarıyla genellikle zordur. 19,20 Bu sorunların üstesinden gelmek için, ve aşağıda tarif edildiği gibi bir prosedür olarak adlandırılan basamak yüksekliği analizi geliştirilmiştir tabakaların sayısı açıkça ölçülen AFM kalınlığı dönüştürmek. 12,13,16,21. basamak yüksekliği biliniyorsa Adımlar 3.3.1-3.3.4 atlanabilir.
    1. Açık, doğru ve net bir şekilde ayırt terasları ile nanosheet seçmek için 3.2 açıklandığı gibi AFM Görüntüyü kırpmak.
    2. karşısında yüksekliğini ölçün"Özü" profil aracını kullanarak nanosheet.
      NOT: Uygun profilleri Şekil 2B içerlek biri olarak ayrık adımları göstermektedir.
      1. Bu adımların yüksekliğini kaydedin (yani, nanosheet sonraki bir terastan yükseklik farkı).
    3. Bu adımlardan en az 70 sayın.
    4. Artan sırayla (Şekil 2C) adım yüksekliğini çiziniz.
      NOT: TMDS için belirgin basamak yüksekliği her zaman 1.9 nm ~ bir çoklu olduğunu gözlemleyin.
    5. katman sayısını elde etmek için 1.9 nm (bölüm 3.2'de anlatıldığı gibi ölçülen) belirgin AFM kalınlığı bölün.
      NOT: Diğer malzemeler, farklı bir kalibrasyon gerektiren diğer basamak yüksekliği dönüşüm faktörleri vardır.

Extinction Spectra dayanarak MoS 2 ve WS 2 Boyut ve Kalınlığının 4. Belirlenmesi

  1. Tayf kazancı
    1. saygımdan yüksek konsantrasyon örnekleri sulandırmaktüm spektral aralığında 2'nin altında yokoluşlara elde etmek için orta (burada sulu sodyum kolat, 2 g L -1) A.Ş..
    2. enstrüman ayarlarında 0.5 nm spektral edinimi için artışlarla ayarlamak veya yavaş ya da orta tarama hızını kullanın.
    3. cihaz ayarlarında ayarları "çıkarma temel" i seçin. spektrometrenin numune kompartımanı içinde sulu sodyum kolat çözeltisi içeren küvet kullanır ve ölçümü çalıştırın.
    4. spektrometre sodyum kolat çözeltisi ile küveti çıkarın ve boşaltın. , Numune doldurun spektrometre örnek bölmesine numuneyi yerleştirin ve örnek bir tarama çalıştırın.
  2. yoğunluk oranlarından Uzunluk tespiti
    1. 1. Seçenek: Oku-off yoğunluğu A-eksiton de, Dahili A (~ MoS 2 için 660 nm ve WS 2 620 nm) ve yerel minimum Ext dak (MoS 2 için 345 nm ve WS 295 nm 2). bölmekYerel en az yoğunluğu A-eksiton de yoğunluk yoğunluk oranı Dahili A / Ext dk elde etmek.
    2. denklem 1 kullanılarak ortalama nanosheet uzunluğu, <L> belirleyin.
      denklem 1 (Denk. 1)
      nerede Dahili A / Ext dak A-eksiton (Ext A) ve yerel minimum (Ext dk) nesli yoğunluğu oranıdır.
      NOT: denklem MoS 2 ve WS 2 hem tutar. Bununla birlikte, doğruluğu özellikle küçük nanosheets sınırlıdır.
    3. 2. Seçenek: yelpazenin, Ext Max-HE (MoS 2 için 270 nm ve 2 WS 235 nm) ve yerel minimum, Harici dak (MoS 2 ve 345 nm UV bölgedeki yerel maksimum yoğunluğu oranını belirleme WS 2 için 295 nm)
    4. denklemi 2 ile ortalama nanosheet uzunluğu, <L> belirleyin.
      "Denklem Ext max-HE WS 2 yerel minimumda söndürme yoğunluğu en az yüksek enerji (MoS 2 için 270 nm ve WS 2 235 nm) ve Dahili yerel maksimum (MoS 2 için 345 nm ve 295 nm yoğunluğu gösteren ile ).
      NOT: Seçenek 2 yanal boyutta daha doğru bir ölçüm verir. Bununla birlikte, yüksek enerji bölgesi bütün solventler / yüzey aktif erişilebilir olabilir.
  3. konsantrasyon
    1. Sırasıyla, WS 2 için MoS 2 için 345 nm ve 235 nm dalga boyunda 1 cm yol uzunluğu göreli söndürme yoğunluğu kaydedin.
      NOT: küvetin yol uzunluğu tarafından kaydedilen ölçülen nesli bölün.
    2. Yok oluşu katsayıları ile bu yoğunluk bölün 68 Lg -1 cm-1 MoS 2 ve 47 Lg 345 nm'de 1 cm -1 Nanos elde etmek WS 2 235 nm'degL heet konsantrasyon -1.
  4. A-exciton konumdan kalınlık tespiti
    1. spektrumun ikinci türevini hesaplayınız.
      1. Veri analizi ve grafik yazılımı (örneğin, OriginPro) kullanarak, tükenme yoğunluğunu içeren sütunu seçin. Açılır menüde "matematik" seçin ve "açık iletişim", "ayırt", "analiz" sekmesine tıklayın. Yeni bir pencere açılacaktır. 2 türev sırasını ayarlamak ve Tamam düğmesine basın.
    2. (A-exciton bölgede ~ pencere başına 10-20 puan) Komşu Ortalaması ikinci türevi pürüzsüz.
      1. Örneğin, veri analizi ve grafik yazılımı kullanılarak, ikinci türev spektrumu arsa.
        1. Etkin grafik pencere, "analiz" üzerine tıklayın ve ardından açılır menüden sonra "açık iletişim", "yumuşak", "sinyal işleme" seçin. Yeni bir pencere açılacaktır.
        2. Seçmek4; 20 puan yöntemi yumuşatma ve belirlenen Bitişik ortalamasının ".
        3. Yeni sütunlar olarak görüntülenir Elde edilen yumuşatılmış spektrum çizilir. Gürültü hala yüksek ise, yumuşatma tekrarlayın.
          NOT: Genellikle, spektral yumuşatma ölçüm sırasında yüksek entegrasyon süreleri kullanılmadığı sürece gürültüsünü azaltmak için gereklidir. Uygun yumuşatma veri analizinin önemli bir parçasıdır ve uygun yumuşatma yöntemi istenen sonucuna bağlıdır. Bu özel yumuşatma yöntemi ortalama pik konumunu belirlemek için sadece idealdir. 13
    3. Oku-off ikinci türevinden pik pozisyonu. Bu A-eksiton, λ A dalga boyudur. Alternatif olarak, 4.4.4-4.4.7 açıklanan adımları yürütmek.
    4. ilişkiyi kullanarak enerji dalga boyu x-ekseni dönüştürme:
      E (eV) = 4.135E-6 * 2.997E8 / λ (nm)
    5. Bir Lorentz ikinci türevi ikinci türevi Fitian.
      NOT: Lorentz olarak yazılabilir
      denklem 3 (Denk. 3)
      H yüksekliği olduğu durumlarda, E '0 merkezidir ve w FWHM olduğunu. E verir göre, iki kez Farklılaşan
      denklem 4 (Denk. 4)
      1. veri analizi ve grafik yazılımında, ana menüden "araçlar" ı seçin ve "uydurma fonksiyon oluşturucu" seçeneğini seçin. Yeni bir pencere açılacaktır.
      2. "Yeni bir işlev oluşturmak" seçin, yanındaki tıklayın.
      3. Varsayılan ayarları bırakın fonksiyonu bir ad verin ve bir sonraki tıklayın.
      4. Set "h E w" parametreleri olarak, bir sonraki tıklayın.
      5. Enter "(-8 * h ^ 2 / w) * (1-3 * (2 * (Ex) / a) ^ 2) / (1+ (2 * (Ex) / a) ^ 2) ^ 3" olarak fonksiyon gövdesi, bitirmek tıklayın.
      6. Arsa enerji ölçeğinde ikinci türev spektrumun yalnızca A-exciton bölgesi.
      7. İleGrafik etkin pencere, "analiz" sekmesine tıklayın. Açılır menüden "uydurma", "doğrusal olmayan eğri uyum", "açık iletişim" i seçin. Yeni bir pencere açılacaktır.
      8. kategorisinde "kullanıcı tanımlı" seçin ve işlev kutusunda önceden inşa işlevi seçin. Sekme "parametreleri" WS 2 1.99 w 0.1, ve E için başlangıç değerlerini ayarlamak ve MoS 2 için 1.85. Basın "fit"
    6. A 'A-eksiton, E ile ilişkili enerji 0,' enerji E kaydedin.
    7. Denklemler 5 (MoS 2) ve 6 (WS 2) 'ye göre katman sayısını belirler.
      Denklem 5 (Eq. 5, MoS 2)
      Denklem 6 (Eq. 6, WS 2)
      λ bir A-excito dalga boyu ifade edenn ve E A-eksiton enerjisini gösteren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Sıvı kademeli santrifüjleme (Şekil 1), her iki Otoyollarının 2 ve WS 2, Şekil 2'de gösterildiği gibi, boyutları ve kalınlığı sıvı dağılmış nanosheets sıralamak için güçlü bir tekniktir. Nanosheet yanal boyutları ve kalınlıkları sırasıyla istatistiksel TEM ve AFM ile karakterize edilebilir. Tipik AFM görüntüsü Şekil 2A'da gösterilmiştir. Belirgin nanosheet kalınlığı basamak yüksekliği analizi (Şekil 2B ve C) sayısı tabaka haline dönüştürülür. Sırasıyla Şekil 2D ve E gösterildiği gibi tabakasının istatistiksel mikroskobik analiz verimleri uzunluğu ve sayısı gibi histogramlar. LCC üretilen parçaların geniş bir sayısı içinde bu analiz boyutu seçimi işlemi karakterize etmek için kullanılır. Şekil 2F ve G, ortalama nanosheet uzunluğu ve katman sayısı yüzde bir fonksiyonu olarak çizilmiştirLCC ral ivme. Benzer bir eğilim her iki Otoyollarının 2 ve WS 2 görülmektedir. Her iki kese ve boyut seçimi de bilgi edinmek için, uzunluğu daha küçük, ince nanosheets daha büyük, daha kalın olanlar ayrılır onaylayan iyi tanımlanmış ilişkileri gösteren Şekil 2H'de nanosheet tabakası sayısının fonksiyonu olarak çizilmiştir.

mikroskopi istatistik boyut seçim sürecini karakterize etmek önemli bir temel olmasına rağmen, onlar son derece zaman alıcı olduğu bir dezavantaja sahiptir. Alternatif olarak optik söndürme spektrumu uzunluğu ve kalınlığı, her iki ölçmek için kullanılabilir. Bu durum Şekil 3'te gösterilmiştir. Şekil 3A ve C, farklı ortalama nanosheet boyutları ve kalınlıktaki MoS 2 (A) ve WS 2 (C) 'nin optik tükenme spektrumlarını göstermektedir. Şekiller 3B ve D co göstermekgeçiş iyi tanımlanmış pik değişimleri gösteren her iki malzemenin A exciton bölgenin donatılmış ikinci türevleri rresponding.

Spektral değişiklikleri ifade etmenin bir yolu, sabit spektral pozisyonlarda pik şiddetlerinin oranları üzerinden gerçekleştirilir. Bu özenle seçilirse Şekil 3E, F 'de gösterildiği gibi, bu ortalama nanosheet uzunluğu ile ilgili olabilir. Uygun pik pozisyonları seçilir İlginçtir, MoS 2 ve WS 2 için veriler aynı eğri üzerinde çöker. Örneğin, yerel minimum Dahili A / Ext dakika boyunca bir-eksiton pik yoğunlukları, yerel minimum Dahili Max-üzerinde enerji en fazla iki malzeme (Şekil 3E) için aynı eğilim, hem tepe yoğunluğu oranı izleyin HE / Harici dk (Şekil 3F). Bu, her iki malzeme için nanosheet boyutu kantitatif ile nanosheet uzunluğuna bağlı olması anlamına gelir m> Aynı denklemler (Denklem. 1 ve 2). Spektral şekil değişiklikler nedeniyle, söndürme katsayıları nanosheet boyutuna bağlıdır. Bu spektral konumuna bağlı olarak daha fazla veya daha az şiddetlidir. Şekil 3G çizilen Örneğin, her iki malzeme için A-eksiton ekstinksiyon katsayısı güçlü uzunluğu bağlıdır. Bununla birlikte, bu Otoyollarının 2 345 nm ve bu spektral pozisyonlarda ekstinksiyon katsayısı boyutlarının geniş bir aralığı üzerinde nanosheet konsantrasyonu için uygun güçlü bir ölçü olarak kullanılabilir, böylece WS 2 235 nm'de durum böyle değildir. Buna ek olarak, söndürme spektrumları, sadece nanosheet yanal boyut olarak bilgi ve dağınık konsantrasyonu, aynı zamanda nanosheet kalınlıkta sağlamamaktadır. Katman sayısı nicel Şekil 3H çizilmiştir (ikinci türevinin bir analizinden elde edilen) bir-eksiton pik pozisyonu / enerji ile ilgili olabilir.

"> şekil 2
Şekil 2: Boyut belirlenmesi ve MoS 2 ve WS 2 LCC boyutu seçimi sonucu. A) iki boyutlu (üst ayrı ayrı yatırılır nanosheets Temsilcisi AFM görüntüsü) ve üç boyutlu (altta) görünümü. Görüntüler, nanosheet uzunluğu L ve belirgin AFM yüksekliği, yani, kalınlığı, T belirlenir. Bir homojen bir pullanmış nanosheet karşısında B) Resim (ek) ve hat profili. nanosheet üzerinde terasları ile ilişkili adımlar açıkça ayırt vardır. C) gibi B olarak nanosheets Adım yükseklikleri artan düzende çizilen. Hem MoS 2 ve WS 2 için, bu her zaman 1.9 nm çoklu vardır. Bu, bir tabaka, 1.9 nm'lik bir görünür AFM kalınlığa sahiptir demektir. İstatistiksel TEM temsili bir numune nanosheet uzunluğu D) Histogram. Katman, N, S) sayısı D., numunenin N histogramı 1.9 nm aşaması yüksekliğiyle belirgin kalınlığa bölünmesiyle saptanmıştır. F, G) ortalama nanosheet uzunluğu <L> (F) ve tabakalar <n> (G sayısı) LCC merkezi RCF bir fonksiyonu olarak çizilmiştir. Için kalınlığının bir fonksiyonu olarak nanosheet uzunluğunun lH) Parsel boyutu-seçilen MoS 2 ve WS 2. 12,13 izniyle uyarlanmıştır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3: Extinction spektrumları ve spektroskopik büyüklüğü ve kalınlığı ölçümlerini. LCC A, c) optik tükenme spektrumu MoS 2 (A) ve WS 2 (C ayrıldı B, A-eksiton D) ikinci türev bitişik ortalama ile ikinci türevinin yumuşatma sonra MoS 2 (B) ve WS 2 (D) enerji karşı çizilmiştir. düz çizgiler pik pozisyonları / enerjileri değerlendirmek için Lorentz ikinci türevine uyan vardır. E, F) ortalama nanosheet uzunluğu <L> bir fonksiyonu olarak pik şiddetlerinin oranları Arsalar. MoS 2 ve WS 2 için veriler aynı eğri üzerinde düşer. Bu nedenle, aynı denklemler nanosheet uzunluğunu ölçmek için kullanılabilir. E) bir-exciton / bölge en azından en yüksek yoğunluk oranının grafiği. <L> denklemi 1. F) yüksek enerji, maksimum / bölge en azından en yüksek yoğunluk oranının arsa göre belirlenebilir. <L> dif denkleme 2. G) sönüm katsayısı göre belirlenebilirnanosheet uzunluğunun fonksiyonu olarak spektral pozisyonlar ferent. Diğerleri (MoS 2 için 345 nm ve WS 2 235 nm) bu durum böyle değil ise (örneğin A-eksiton gibi) bazı spektral pozisyonlarda de, sönümleme katsayıları yüksek boyutu bağlıdır. H) ikinci türevleri A-exciton tepe enerjilerin (çizimi) <N> katman sayısının fonksiyonu olarak çizilir. Katman numaraları 12,13 izniyle uyarlanmıştır denklemler 5 ve 6'ya göre belirlenebilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

örnek hazırlama

Burada anlatılan örnekler uç sonication tarafından üretilmektedir. Alternatif eksfoliasyon prosedürler kullanılabilir, ancak farklı konsantrasyonlarda yanal boyutta ve pul pul dökülme dereceleri yol açacaktır. sonication sırasında yüksek genlik ve bakliyat daha uzun sonikatör zarar görmemesi için kaçınılmalıdır. Benzer sonuçlar 500 W işlemciler kullanılarak elde edilmiştir. Ancak, sonikasyon süresi ve genlik Burada sunulan farklı nanosheet boyutlarda ve konsantrasyonlarda neden olabilir bu protokolden nanosheet pul pul dökülme ve varyasyonları üzerinde bir etkisi vardır. Biz ısıtma zarar ve nanosheets aşağılamak ve elde edilen malzemenin ortaya çıkan optik özelliklerini bozulmaya gibi soğutma sonication sırasında kritik olduğunu vurgulamak. TMD tozun yüksek ilk konsantrasyonları Burada elde edilen ötesinde nanosheet konsantrasyonu artırabilir, ancak bu lineer oluşmaz. uç-sonication için, dağınık koncentration tipik haliyle 30-40 gL ilk TMD konsantrasyonları ötesinde doyurur-1.

seçilen boyut seçme çağlayan istenen sonucu uyacak şekilde kolayca değiştirilebilir. Yalnızca belirli boyutlar hedefleyen, farklı fraksiyonlarda geniş bir boyut aralığında boyutları ve kalınlıkları, santrifüj adımları atlanabilir nanosheet bu özel işlem verimi ise. orta boy nanosheets arzu edilir Örneğin, örnek sadece iki farklı santrifüj ivmeler santrifüjlenmiş ve tortu yeniden dağıtılmaktadır. Seçenek olarak ise, daha karmaşık kaskadlar tek tabaka zenginleştirme (daha fazla açıklama için 13) elde etmek için uygulanabilir. Yüksek konsantrasyonlarda örnekleri yeniden dağıtmak için yeteneği ile birlikte bu esneklik diğer boyut seçim protokoller üzerinden LCC eşsiz bir avantajdır.

Protokol için <10 cm santrifüj şişelerine doldurmak yükseklikleri kullanılması tavsiye edilir. Büyük fil iseşişelerde ling yükseklikleri santrifüj süreleri karşılaştırılabilir sonuçlar elde etmek için artırılması gerekmektedir kullanılır. sediman her zaman pelet gibi olmalıdır verimli boyutu seçimi ve dikkatle ve tamamen boşaltılmıştır süpernatant için. tortu pelet gibi değilse, santrifüj süresi arttırılması gerekir. Daha yüksek sıcaklıklar (aynı zamanda Santrifüj sırasında) kaçınılmalıdır ve numuneler iyi hazırlandıktan sonra malzemenin bozulmasını en aza indirmek için buzdolabında saklanır. santrifüj daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilir ise, sedimentasyon yavaştır ve santrifüj katı ayarlama gerektirebilir. Farklı bir santrifüj ve rotor geometrileri gösterilen temsili verileri uzunluğu ve kalınlığı sapmalara neden olabilir. Bununla birlikte, bu gibi ince olmasına rağmen, genel olarak, boyut seçim prosedürü, sağlam ve çözücüler gibi yüzey aktif maddeler, çeşitli malzemelere uygulanabilir. yüksek ivmelerde santrifüj sonrası son süpernatan, tipik olarak atılırsadece kenarlarından hakim özelliklere sahip çok küçük (<30 nm) nanosheets içerdiğinden. Ebat seçimi düzeni bir tezgah üstü santrifüj içinde gerçekleştirilebilir (yani., Herhangi bir ultrasantrifüj yoğunluk gradyan santrifüj karşı gereklidir). Burada her santrüfüj 220R santrifüj kullanılarak, her aşamada, 2 saat boyunca 15 ° C'de gerçekleştirildi (Malzeme listesine bakınız). İki farklı rotor kullanıldı; santrifüj hızı, (krpm olarak) f RCF = 106.4 f 2 üzerinden merkezkaç kuvveti ile ilgili ise 3.500 xg ≤ hızlar için, sabit bir açı rotor kullanılmıştır. Bu durumda, ~ 10 ml'lik kısımlarını ihtiva eden 28 ml cam viyaller = yüksekliği dolgu 10 cm kullanılmıştır. 1.5 ml plastik f RCF = 97.4 f 2 ile santrifüj kuvveti ile ilgili bir sabit açılı rotor, tüpler santrifüjlenmiş hızlar> 3,500 xg için, numuneler santrifüjlenmiştir.

nanosheet uzunluğunun analizi için, TEM önerilirtaramalı elektron mikroskobu ile karşılaştırıldığında daha yüksek çözünürlük ve AFM göre daha yüksek verim nedeniyle analiz aracı olarak. Ayrıca, AFM de yanal boyutları tipik olarak uç genişletilmesi ve pixilation'den için abartılmıştır dezavantajı vardır. hatta 200 kV hızlandırma gerilimleri ile herhangi bir geleneksel TEM kullanılabilir. Bu durumda, görüntü Delikli C ızgaraları (400 ağ gözü) üzerinde gerçekleştirilmiştir. Çok küçük nanosheets için, sürekli bir film ızgaraları faydalı olabilir, ancak gerekli değildir. Buna karşılık, AFM nanosheet katman sayısını belirlemek için analiz aracı olarak tavsiye edilir. nanosheets her nanosheet için birden fazla bölge ortalama kalınlığının saptanması için muayene edilmesi gerekir ki gerektiren kenarına doğru incelir olarak kenar sayımı ile TEM kalınlık tayini, sorunlu olabilir çünkü bu. ölçülen kalınlık kolayca homojen olmayan nanosheets için ortalama olarak AFM kullanıldığında bu çok daha az sorunludur. AFM analizi için yeniden agg önlemek için özellikle önemlidirÇözücü buharlaştırma sırasında gofret nanosheets arasında regation. Bunu önlemek için, dağılma açılan döküm önceden ısıtılmış gofret üzerinde olması tavsiye edilir. su taşıyıcı anında buharlaşır ve kabarcıklar daha düşük bir sıcaklıkta Levhalarda döküm damla kıyasla daha üniform bir birikimi ile sonuçlanır oluşturulur. Nano-ölçekli nesneler mavi lekeler gibi bir optik mikroskop / optik zoom ile görülebileceği gibi Si / SiO 200-300 nm oksit tabakası ile 2 gofret tavsiye edilir. 22 Bu görüntüleme için ilgi alanları ayırmak için yararlı bir rehberdir. görüş alanı nanosheet büyüklüğüne göre ayarlanmalıdır. Burada sunulan veriler için, AFM modu dokunarak 13 mikron tarayıcı üzerinde gerçekleştirilmiştir. Tipik resim boyutları 2 x 2 mikron 2 resim başına 512 hatları ile 0,4-0,7 Hz tarama hızlarında büyük nanosheets için 8 x 8 mm 2 maksimum arasında değişmekteydi. Alternatif olarak, örneğin (daha yüksek bir çözünürlükte belirli AFM veya tarayıcı, geniş alanlarda tarama bağlı 2 uygun olabilir. Tipik bir görüntü Şekil 2a, b de gösterilmiştir. Kalıntı yüzey aktif madde, özellikle yüzey aktif ayırt etmek zor olan çok küçük nanosheets için kalınlık ölçümleri çok sıkıcı yapabilir. genellikle farklı malzemeler arasında iyi bir kontrast vermek gibi Bu durumda, faz görüntüleri, bir rehber sağlayabilir. artık surfaktan ile ilgili sorunlar devam ederse, gofret gofret nanosheets önemli bir kayıp olmadan bir gece suda bekletilmelidir.

Bu daha çok yönlü dağılmış olma eğilimi Genel olarak, en az 150-200 nanosheets sayma daha küçük ortalama büyüklüğe sahip numuneler için yeterli olabilir. olmayan bir ebat bakımından seçilmiş hazır dispersiyon incelendiğinde, en az 200 nanosheets kaydedilmelidir önerilir. Çözücüler yerine yüzey aktif madde / su çözeltilerinin işlem boyunca kullanıldığında, dispersiyonlar söz konusu çözücü, prio ile seyreltilmesi gerekenR çökelmeye. Bakım ayırt etmek kolay olan daha geniş nanosheets doğru bastırılması için değil, sayma görüntüleme sırasında alınmalıdır. nanosheets doğru boyut / kalınlık tayin gelen aşırı nanosheet konsantrasyonları için yeniden toplamak için eğilimi biriken dispersiyonlar konsantrasyonu önemlidir. istatistikler dramatik büyük veya küçük uç yapabilirsiniz önyargı ya da üzerinde aşırı nanosheet boyutları doğru Aykırı. Aşırı durumlarda, bu ortalama değerlerinin belirlenmesinde dahil edilmemelidir. Histogramlar tipik log-normal olan şekil 23 (Şekil 2B, E). Bu durumda, sayma değil ve / veya eğer görüntü önyargılı olabilir. Bu histogramlar ve istatistiksel analizi, aritmetik sayı ortalaması elde edilir. Bu, tipik olarak, aynı zamanda hacim oranı ağırlıklı ortalama değeri ve yanal boyut / kalınlıkta bir geçerli bir ölçüm ile ilgilidir.

Boyut seçimi ve ölçütleri

Hem nanosh demekeet uzunluğu <L> ve nanosheet kalınlığı <n> dispersiyon kademeli ilerleyen santrifüj oranları, yani yüksek olarak azaltılır. Biz merkezi RCF (Şekil 2F) olarak ifade santrifüj oranlarının orta noktası ile ilişkili merkezkaç ivme (RCF) bir fonksiyonu olarak (TEM) <L> çizerek bu etkileri ölçmek olabilir. Ortalama nanosheet uzunluğu (merkezi RCF) hem MoS 2 ve WS 2 -0.5 olarak düşer. Aynı merkezi radyal ivmelerde MOS 2 yanal boyutları malzemenin düşük yoğunluğu atfedilir WS 2 biraz daha büyüktür. Benzer şekilde, <N> (AFM istatistiklerinden) Şekil 2G merkezi RCF karşı çizilir. Bu (merkezi RCF) -0.4 yoluyla merkezi dönme hızı ile düşer. İlginçtir, MoS 2 ve WS 2 verilerikabaca aynı eğri üzerinde çöker. Bu davranış nedenleri şu anda anlaşılmış değildir ve ileri çalışmalara ihtiyaç duyulmaktadır. Şekil 2H'de gösterildiği üzere Sonuç olarak, daha küçük ve daha ince nanosheets büyük ve daha kalın olanlar ayrılır.

Bu santrifüj beklenebilecek olsa bile, biz bu mutlaka tek başına santrifüj işlemi ile ilgili değildir unutmayın. Ince nanosheets kalın nanosheets büyük olma eğiliminde iken, daha küçük olma eğilimi sürekli olarak sonication tarafından Pullu malzemelerin bir dizi bulmak çünkü bu aynı zamanda (MoS 2 12 WS 2 13 MoO 3 24, siyah fosfor 16, gaz 15) . Her bir fraksiyonu bir belirli bir kalınlıkta nanosheets için yan boyutlarının bir analizi daha önce nanosheet ortalama uzunluğu, farklı kalınlıkları için bir örnek içinde kabaca sabit olduğunu göstermiştir. O impl olarak 13 Bu ilginç,Bu santrifüj ilk yaklaşmada bir uzunluk ayırma işlemidir bu ies. Bu geri difüzyon ve sürtünme önemli bir rol oynayabilir, böylece santrifüj denge her adımda 2 saat nispeten kısa santrifüj sürelerinden sonra ulaştığı olmadığını göstermektedir. Bu, aynı zamanda, farklı nanosheet uzunluğu kalınlığı ilişkileri kaskad değiştirerek üretilebilir anlamına gelir. 13

Optik söndürme spektrumlarının spektrum profili güçlü kenarı ve sınırlandırıcı etkileri nedeniyle nanosheets boyutlarına bağlıdır. Burada MoS 2 ve WS 2 tükenme spektrumları üzerine nanosheet boyutu ve kalınlığı etkisini araştırmak için LCC tarafından üretilen kesirler kullanın. Standart iletim ölçülen Extinction spektrumları absorbans ve saçılma hem katkılarını içerir. 12,25 emme spektrumu dağılmış ışık toplanan bir entegre kürenin merkezinde ölçümü ile elde edilebilir. grafisindenano malzeme ışık emer nant rejimi, yani, saçılma spektrumu şeklinde kabaca absorbans izler. Bu nedenle, bir absorbans spektrumunun kodlanmış bilgi söndürme spektrumu analizinden elde edilebilir. Rezonanssız rejiminde 12,13,15-17 (~ 700 nm'nin üzerinde Otoyollarının 2 ve WS 2), dağıtma üs da nanosheet (enine) boyutu, ilgili olduğu tespit edilebilir. Referanslara bakın 12,13,15-17.

Şekil 3A ve C'de gösterildiği gibi, optik sönüm spektrumu karakteristiği Eksitonik geçişleri, 26 görüntüler ancak nanosheet boyutu ve kalınlığı ile değişmektedir. bütün spektral bölgeler arasında görece yoğunlukları değişikliklere ek olarak, Eksitonik geçiş değişimleri görülür. Bu en iyi-eksiton (Şekil 3B ve D bölgesinde ikinci türev spektrumdan görüntülenmiştir

Kenar etkileri nanosheet uzunluğuna spektral profil bir bağımlılığı ile sonuçlanır. 12 nanosheet yanal boyutu ile spektral şekil değişiklikleri merkezi bölgelerinden elektronik farklı olarak kenarlarından rasyonalize edilebilir. Bu nedenle, nanosheet kenarı ile ilişkili yok olma katsayısı bazal düzlemlerde sönme katsayıları farklıdır. Bu, iki farklı dalga boylarında ekstinksiyon yoğunluklarının oranı ile belirlenebilir. Prensip olarak, herhangi bir pik yoğunluk oranı nanosheet boyutu ile ilgili olabilir. Ancak, büyüklük ölçütleri verilen pozisyonlarda spektral şekil farkı daha büyük daha güvenilir olacaktır. Uygun örnekler yerel minimum o A-eksiton de şiddet oranları vardır, Harici A / Ext dk (Şekil 3E) ya da yerel minimum o kadar yüksek enerjili maxima de, Ext Max-HE / Ext dk (Şekil 3F).

<p class = "jove_content"> Şekil 3E'de veriler, K, aşağıdaki denklem 12 takılabilir

Denklem 7 (Denk. 7)

Ε Cı burada ε e kenar bölge ekstinksiyon katsayısı, ve L, X ve k nanosheet uzunluğu, kenar kalınlığı ve uzunluk-genişlik yönü olan - burada ε Cı nanosheet taban düzlemi ile ilişkili yok olma katsayısı Δ ε = ε E olduğu sırasıyla oranı. Biz bu denklem söndürme pik şiddetlerinin oranları ortalama nanosheet uzunluğu, L ilişkin işlevleri oluşturmak için bize izin çok iyi verilere uygun bulmak (denklemlerini 1 ve 2). Ayrıca, çözücünün kendisi l absorbe burada, sistemler çözücüye tatbik edilebilir yoğunluk oranı Dahili A / Ext dakika, son derece yararlıdırUV bölgesinde ight. Ancak, daha az doğru ve daha küçük nanosheets için ayırır. Nedenle UV bölge erişilebilir olduğunda Ext Max-HE / Ext min içeren denklemi 2 kullanılması tavsiye edilir.

Bu kenar etkilerinin bir sonucu olarak, söndürme katsayısı nanosheet boyutu (Şekil 3G) zorlu dispersiyon içinde nanosheets doğru konsantrasyon ölçümlerini yapmak için bir fonksiyonu olarak değişir. Ancak, her iki MoS 2 ve WS 2, biz yok olma katsayısı nanosheet boyutu ile yaygın değişmez olduğu spektral pozisyonları, tespit başardık. Otoyollarının 2 için, 345 nm'de ekstinksiyon katsayısı (ε 345nm (MoS 2) = 68 Lg -1 cm-1), geniş bir boyut aralığında ve WS 2, sönüm katsayısı için dağılmış konsantrasyonunu belirlemek için genel katsayısı olarak kullanılabilir 235 nm (ε 235nm (WS 2) 48 Lg -1 cm-1) yaygın boyutu değişmez =.

uzunluk etkilerine ek olarak, tükenme spektrumları da ortalama nanosheet kalınlığına bilgileri içerir. Nanosheet kalınlığı olarak düşük dalga boylarında doğru bir-exciton pozisyonunda (Şekil 3H) ve vardiya bu sonuç azalır. Biz nicel denklemler 5 ve 6 Hem MoS 2 ve WS 2 aynı eğimli bir logaritmik bir ilişki izleyin göre nanosheet kalınlığı ortalama spektral profilinde değişiklik bağlamak için ikinci türevleri A-eksiton kütle tepe pozisyonunda merkezini belirlemek . Biz katman sayısı ve katman sayısı ile TMD birimleri etrafında ortalama dielektrik sabiti değişiklikleri ile bant yapısındaki değişikliklere bu vardiya bağlıyor.

protokol katmanlı malzeme ve sıvı kaskad santrifüj yoluyla kendi boyutu seçimi state-of-the-art likit pul pul dökülme açıklar. MoS 2 ve WSSulu yüzey aktif madde çözeltisi içinde 2 model sistemler olarak tercih edilir. Bununla birlikte, başka tabakalı malzeme ya da çözücü sistemlerine uygulanabilir. Bu sıvılar kullanılabilir oldukça iyi tanımlanmış bir boyutu olan malzeme çok çeşitli yapar Bu çok yönlülük, büyük gücüdür. Buna ek olarak, istatistiksel mikroskopi kullanılarak doğru yanal boyut ve kalınlık belirlenmesi üzerine ayrıntılı bir açıklaması sağlanmaktadır. mikroskopi yaygın bir analiz aracı olarak kullanılır olsa da, son derece dikkatli (örneğin yüksek konsantrasyon örnekleri yatırma gibi) yetersiz numune hazırlama ve yanlış analiz ve görüntüleme gibi istatistiksel ortalama değerlerini önemli ölçüde önyargı olabilir, doğru ve güvenilir istatistikler elde etmek için alınmalıdır.

Hatta son derece önemli olsa da, bu istatistiksel mikroskopi erişilebilir sıvı Pullu Nanomalzemelerin kaliteli örnekleri yapımında bir şişe-boyun aynı zamanda. Prosedür sıkıcı ve zaman alıcı olduğundan, bu basitçe. Bu yazıdaBiz de bu sorunu aşmak için bir alternatif tartışmak. ilke gibi nesli spektrumları olarak optik spektrumları kantitatif nanosheet boyutları ve kalınlıkları ile ilgili dayanmaktadır. Bu boyutta bir fonksiyonu olarak önemli ölçüde ve sistemli olarak değişir. Bu optik spektrumdan hem nanosheet yanal boyutu ve kalınlığına sayısal bilgiler elde etmek için kullanılabilir. Böyle ölçümlerini kalibre edildikten sonra, olduğu gibi, birkaç dakika içinde nanosheet boyutu ve kalınlığı bilgi vermek, son derece güçlüdür. Bunun avantajı, en az iki yönlüdür. Bir yandan, bu artırmak ve burada uygulanan dışındaki tekniklerle dökülmesini ve boyut seçimi de anlamak için kullanılabilir. Diğer yandan, bilinen boyutu örnekleri üretmek ve temel çalışmaları ve uygulamaları için, her boyut etkileri çalışma sağlamak için, kolayca kalınlık benzersiz bir fırsat sunmaktadır. Buna ek olarak, belirtmek gerekir ki MoS 2 ve WS 2 arasındaki benzerliklerölçümlerini son derece cesaret vericidir ve düşündürmektedir - eldeki bu protokol ile - benzer ölçümlerini diğer tabakalı malzemeler için kurulabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sodium cholate hydrate, from ox and/or sheep bile Sigma Aldrich C1254-100G Surfactant used as stabilizer in the form of an aqueous solution (i.e., after dissolving the powder in millipore water)
MoS2 powder Sigma Aldrich 69860-100G Other distributors available, but exfoliation and outcome of size selection can vary
WS2, powder 2 μm Sigma Aldrich 243639-50G Other distributors available, but exfoliation and outcome of size selection can vary
ImageJ Software Developer: National Insitutes of Health 64-bit Java version 2.45 1.6.0_24 Image processing software used for TEM analysis, free download
Gwyddion Software Developer: Czech Metrology Institute 64-bit Java version 2.45 Image processing software used for AFM analysis, free download
Origin Pro Software OriginLab Version 2016 Software used for data analysis such as differntiation and fitting of the extinction spectra
Centrifuge HettichLab Mikro 220R any other benchtop centrifuge is suitable
Rotor 1 Hettich Rotor 1016 for centrifugation <5,000 x g
Rotor 2 Hettich Rotor 1195-A for centrifugation >5,000 x g

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Mühendislik Sayı 118 katmanlı malzemeler geçiş metal dikalkogenidler sıvı eksfoliasyon boyut seçimi santrifüj optik özellikleri hapsi kenar etkileri
Sıvı dağılmış Geçiş Metal dikalkogenid Kontrollü Boyutu Nanosheets ve Kalınlığının Hazırlanması: Sanat Protokolü Bir Devlet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Backes, C., Hanlon, D., Szydlowska,… More

Backes, C., Hanlon, D., Szydlowska, B. M., Harvey, A., Smith, R. J., Higgins, T. M., Coleman, J. N. Preparation of Liquid-exfoliated Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets with Controlled Size and Thickness: A State of the Art Protocol. J. Vis. Exp. (118), e54806, doi:10.3791/54806 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter