Waiting
Login processing...

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

Engineering

Udarbejdelse af Liquid-afstødes Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets med kontrolleret størrelse og tykkelse: En State of the Art protokollen

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

En protokol for væsken eksfoliering af lagdelte materialer til nanosheets, er deres størrelse udvælgelse og måling størrelse ved mikroskopiske og spektroskopiske teknikker præsenteres.

Introduction

Muligheden for at producere og proces graphene, beslægtet todimensionale (2D) krystaller i den flydende fase gør dem lovende materialer til et stadigt voksende vifte af applikationer som kompositmaterialer, sensorer, i energilagring og konvertering og fleksible (opto) elektronik. 1-6 For at udnytte 2D nanomaterialer inden applikationer som disse vil kræve billige og pålidelige funktionelle blæk med on-demand lateral størrelse og tykkelse af de nanoskala bestanddele, samt kontrollerede reologiske og morfologiske egenskaber som kan underkastes industriel skala udskrivning / overfladebehandling. 7 I denne henseende har væskefase exfoliation blevet en vigtig produktionsteknik giver adgang til en lang række nanostrukturer i store mængder. 6,8,9 Denne fremgangsmåde involverer sonikering eller forskydning af lagdelte krystaller i væsker. Hvis væsken passende vælges (dvs. egnede opløsningsmidler eller overfladeaktive midler) de nanosheets vil være stabilized mod reaggregation. Talrige applikationer og proof-of-principle enheder er blevet påvist af sådanne teknikker. 6 Sandsynligvis den største styrke i denne strategi er dens alsidighed, som mange lagdelte forælder krystaller kan afstødes og behandles på en lignende måde, der giver adgang til en bred palet af materialer, som kan skræddersys til det ønskede program.

Men trods dette nylige fremskridt, den resulterende polydispersitet, der opstår som følge af disse flydende fase produktionsmetoder (i form af nanosheet længde og tykkelse) stadig udgør en flaskehals i realiseringen af ​​højtydende enheder. Dette er for det meste fordi udviklingen af ​​nye og innovative udvalg størrelse teknikker har hidtil krævet nanosheets længde og tykkelse karakterisering ved hjælp kedelige statistisk mikroskopi (atomic force mikroskopi, AFM og / eller transmission elektronmikroskopi, TEM).

På trods af disse udfordringer, Several centrifugeringsteknikker er blevet rapporteret at opnå længde og tykkelse sortering. 6,10-13 Den enkleste scenario er homogen centrifugering, hvor dispersionen centrifugeres ved en given centrifugalacceleration og supernatanten dekanteres til analyse. Centrifugeringen hastighed indstiller størrelsen afskæringen, hvorved højere hastigheden er, jo mindre er de nanosheets i supernatanten. Denne teknik lider to store ulemper; dels når større nanosheets udvælges (dvs. dispersionen centrifugeres ved lav hastighed, og supernatanten dekanteres) alle mindre nanosheets vil holde prøven. For det andet, uanset centrifugeringen hastighed, en betydelig del af materialet tendens til at blive brændt i sedimentet.

En alternativ strategi til udvælgelse størrelse er densitetsgradient (eller isopyknisk) centrifugering. 11,14 I dette tilfælde er dispersionen sprøjtes i et centrifugerør containing en densitetsgradient medium. Under ultracentrifugering (typisk> 200.000 xg), er en densitetsgradient dannet, og de nanosheets flytte til det punkt i centrifugen, hvor deres opdrift densitet (tæthed herunder stabilisator og skallen opløsningsmiddel) matcher tætheden af ​​gradienten. Bemærk, at nanomateriale også kan bevæge sig opad under denne proces (afhængigt af hvor det blev injiceret). På en sådan måde bliver nanosheets effektivt sorteret efter tykkelse snarere end masse (i modsætning til homogen centrifugering). Mens denne fremgangsmåde giver en unik mulighed for at sortere nanosheets ved tykkelse, det lider bemærkelsesværdige ulemper. For eksempel er udbytterne er meget lave og i øjeblikket ikke muliggør masseproduktion af adskilte nanosheets. Dette er til dels relateret til lavt indhold af monolag på lager dispersioner efter væske-eksfoliering og kan potentielt forbedres ved optimering af eksfoliering procedurer i fremtiden. Derudover er det typisk en tidskrævende flertrins-ultracentrifugering proces, der involverer flere gentagelser for at opnå en effektiv udvælgelse størrelse. Endvidere i tilfælde af uorganiske nanomaterialer, er den begrænset til polymer-stabiliserede dispersioner til opnåelse af de nødvendige opdrift densiteter og gradienten medium i dispersionen kan forstyrre yderligere behandling.

Vi har for nylig vist, at en procedure, vi udtrykket flydende kaskade centrifugering (LCC) tilbyder et spændende alternativ, 13 som vi vil også detaljer i dette manuskript. Dette er en multi-trins procedure, som er yderst alsidigt tillade forskellige kaskader, der skal udformes i henhold til det ønskede resultat. For at demonstrere denne proces, er en standard kaskade portrætteret i figur 1, og involverer flere centrifugeringstrin hvorved hver har et højere hastighed end den sidste. Efter hvert trin sedimentet lagret, og den ovenstående væske anvendes derefter i proceduren fase. Som følge heraf hver sediment indeholder nanosheets i en givenstørrelsesorden, der er blevet "fanget" mellem to centrifugeringer med forskellige hastigheder; den nederste fjernelse af større nanosheets i det foregående sediment mens højere hastighed fjerner de mindre nanosheets i supernatanten. Kritisk til LCC, kan den resulterende sediment gendispergeres fuldstændigt ved mild sonikering i det respektive medium, som i dette tilfælde er vandig natriumcholat H2O-SC (ved SC koncentrationer så lave som 0,1 g L -1). Resultatet er dispersioner med stort set alle valgte koncentration. Vigtigere, er stort set ingen materiale spildt i LCC, hvilket resulterer i samlingen af ​​relativt store masser af størrelse valgt nanosheets. Som vist her, har vi anvendt denne procedure på en række af flydende-ekspanderet nanosheets herunder MoS2 og WS 2 samt gas, 15 sorte fosfor 16 og graphene 17 i både opløsningsmiddel og overfladeaktive systemer.

Denne unikke centrifugering procedure muliggør effektiv størrelse udvælgelse af flydende afstødes nanosheets og har efterfølgende muliggjort en betydelig fremgang i kraft af deres størrelse og tykkelse bestemmelse. Især med denne fremgangsmåde, vi demonstreret tidligere, at optisk ekstinktion (og absorbans-spektre) af nanosheets ændres systematisk som funktion af begge nanosheets laterale dimensioner og nanosheets tykkelse. Som vi opsummere her, har dette tilladt os at knytte nanosheet spektrale profil (specifikt intensitetsforholdet ved to positioner på udtømning spektrum) til middelværdien nanosheet længde som følge af nanosheet randeffekter. 12,13 vigtigere er, kan den samme ligning anvendes til at kvantificere størrelsen af MoS2 og WS 2. Endvidere viser vi, at A-exciton holdning ændrer mod lavere bølgelængder som en funktion af gennemsnitlig nanosheet tykkelse som følge af indeslutning effekter. Selvom peeling, samt størrelse udvælgelse og bestemmelse er generelt temmelig røveUST procedurer, den kvantitative resultat afhænger af finesser i protokollen. Men især for nytilkomne til feltet, er det vanskeligt at vurdere, hvilken proces parametre er mest relevante. Det kommer ned til det faktum, at eksperimentelle afsnit af forskningsrapporter kun give et groft protokol, uden at diskutere, hvad resultatet kan forventes, når ændrer proceduren eller give en rationel bag protokollen. I dette bidrag, vi har til hensigt at løse dette samt give en detaljeret vejledning og diskussion til fremstilling af flydende-ekspanderet nanosheets af kontrolleret størrelse og til den nøjagtig bestemmelse af størrelse ved enten statistisk mikroskopi eller analyse af udslettelse spektre. Vi er overbeviste om, at dette vil bidrage til at forbedre reproducerbarhed og håber, at det vil være en nyttig vejledning for andre eksperimentalister på dette forskningsområde.

figur 1
FiguAd 1: Skematisk af udvælgelsen størrelse ved flydende kaskade centrifugering. Størrelsesselekteret nanosheets opsamles som sedimenter. Hver sediment opsamles eller "fanget" mellem to centrifugering hastigheder (w) startende fra lave hastigheder og går til højere dem fra trin til trin. Sedimentet kasseres efter den første centrifugering indeholder unexfoliated lagdelte krystallitter mens supernatanten kasseres efter det sidste centrifugeringstrin indeholder ekstremt små nanosheets. Størrelsesselekteret dispersioner fremstilles ved igen at dispergere de indsamlede sedimenter i det samme medium (her vandig opløsning af overfladeaktivt middel) ved reducerede mængder. Tilpasset med tilladelse fra 13. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Flydende Eksfoliering - Udarbejdelse af Egnede Stock dispersioner

  1. Monter en metal kop under en sonotrode i et isbad.
  2. Fordybe 1,6 g af TMD pulver i 80 ml vandig opløsning af natriumcholat (SC) overfladeaktivt middel (natriumcholat koncentration, C SC = 6 g L-1) i metallet cup.
  3. Flyt sonic spids til bunden af ​​metallet cup og derefter op af ~ 1 cm. Wrap aluminiumsfolie omkring den soniske probe for at undgå spild.
  4. Sonikeres blandingen under isafkøling ved probelydbehandling at undgå opvarmning ved anvendelse af en fast flad spids (750 W processor) i 1 time ved 60% amplitude (puls af 6 s på og 2 s slukket).
  5. Centrifugeres dispersionen ved en centrifugering hastighed på 2.660 xg i 1,5 timer. Supernatanten indeholder urenheder og indsamle sedimentet i 80 ml frisk tensid løsning (C SC = 2 g L -1).
    BEMÆRK: Brug maksimale højder udfylde centrifugeglas på maksimalt 10 cm. Othepå det modsatte, øge centrifugering tid.
  6. Underkaste dispersionen til en anden, længere sonikering under anvendelse af faste flathead spids i 5 timer ved 60% amplitude (puls af 6 s på og 2 s off) under isafkøling. Udskift isbad hver 2 h under en pause sonication.

2. Nanosheet Size Valg efter Liquid Cascade Centrifugering

BEMÆRK: Hvis du vil vælge nanosheets efter størrelse, flydende kaskade centrifugering med sekventielt stigende centrifugal acceleration påføres (figur 1). Følgende procedure anbefales som standard størrelse udvælgelse af kaskaden i sagen TMDS. For andre materialer kan være nødvendigt at justere centrifugeringshastigheder.

  1. Fjern unexfoliated pulver ved centrifugering ved 240 xg (1,5 kopm), 2 timer. Kassér sedimentet.
  2. Centrifugeres supernatanten ved en højere centrifugalacceleration: 425 xg (2 kopm), 2 timer. Saml sedimentet i frisk tensid ved reduceret volumen (3-8 ml).
  3. Centrifugersupernatant ved endnu højere centrifugal acceleration: 950 xg (3 kopm), 2 timer. Saml sedimentet i frisk tensid ved reduceret volumen (3-8 ml).
  4. Gentag denne procedure med følgende centrifugale accelerationer: 1700 xg (4 kopm), 2650 xg (5 kopm), 3500 xg (6 kopm), 5500 xg (7,5 kopm), og 9750 xg (10 kopm).

3. Bestemmelse af Nanosheets størrelse og tykkelse af statistiske Microscopy

BEMÆRK: Hvis spektroskopiske målinger er allerede tilgængelige, kan § 3 springes over eller reduceres, dvs. ikke udføres for hver prøve.

  1. Længde: Transmission (TEM)
    1. Deposition
      1. Fortynd den høje koncentration dispersioner med vand (for at reducere koncentrationen af ​​overfladeaktivt middel), således at de er af lys i farven. Drop støbt på et gitter (f.eks holey carbon, 400 mesh) anbringes på en filtermembran til at væge væk overskydende opløsningsmiddel.
    2. Imaging
      1. Optag flere images på forskellige positioner på nettet. Juster synsfelt afhængigt nanosheet størrelse. For en omfattende TEM imaging tutorial, se reference 18.
    3. Statistisk længde analyse udført under anvendelse ImageJ
      1. Åbn ImageJ software, skal du vælge den relevante TEM billede via menuen "Filer" og "åbne" billedet. Billedet åbner i et nyt vindue.
      2. Klik på fanen "analysere". Vælg "sæt skala" fra drop down menuen. Et nyt vindue åbnes. Klik på "Fjern skala", tick "global" og klik på "ok".
      3. Vælg "line" værktøj. Tegn en linje profil langs længden af ​​skalalinjen af ​​TEM billedet.
      4. Klik på "analysere". Vælg "sæt skala" fra drop down menuen. Indtast længden af ​​skalaen bar i nm ind i feltet "kendt afstand" og klik på "ok".
        BEMÆRK: Afstanden af ​​linje trukket på skalaen bar vises i pixels. Vælg "linjen" værktøj og måle nanosheet længden ved at trække en linie profil af længste akse nanosheet.
      5. Tryk på "kontrol + M" til at måle. En ny feltet "resultater" åbner med nanosheet længde vises i kolonnen "længde".
      6. Gentag trin 3.1.3.6 for alle individuelt deponerede nanosheets (ikke aggregerede dem) i billedet.
      7. Når du åbner et nyt billede, skal du gentage trin 3.1.3.3- 3.1.3.7. Tæl længde på 150 nanosheets.
        BEMÆRK: Alle nanosheet længde data samlet i "resultater" vinduet og kan kopieres til andre programmer til videre forarbejdning.
  2. Tykkelse: Atomic force mikroskopi (AFM)
    1. Fortynd dispersionen så er næsten transparent for det menneskelige øje (svarende til udslettelse intensitet ideelt ~ 0,2 1 cm vejlængde ved 400 nm). I tilfælde af overfladeaktive dispersioner, fortynd med vand ikke overfladeaktivt middel.
    2. Dråbe-støbt på forvarmede vafler. For vandbaseret dispersion, opvarme vaflen til ~ 170 ° C på en varmeplade og deponering 10 pi pr 0,5 x 0,5 cm 2 wafer.
    3. Skyl waferne grundigt med et minimum af 5 ml vand og 3 ml 2-propanol for at fjerne resterende overfladeaktivt middel og andre urenheder.
    4. Scan og gemme flere billeder på tværs af prøven med AFM i aflytning tilstand. For små nanosheets bruge en opløsning på 512 linier pr billed- og billedstørrelser på maksimalt 2 x 2 um 2. For prøver indeholdende større nanosheets, øge synsfeltet på op til 8 x 8 um 2. Brug scan satser efter behov (typisk 0,4-0,7 Hz). Alternativt, scan større områder på højere opløsning.
    5. Tykkelse måling med Gwyddion Software
      1. Åbn softwaren og vælg den relevante AFM billedet via "fil" og "åben". Billedet åbner i et nyt vindue.
      2. Ret baggrunden ved hjælp af "niveau data fra gennemsnitlig fly subtraction "" align rækker "og" korrekte vandrette ar "i" Data Process "i startmenuen. Anvend korrektionerne, ændre billedet farve for bedre kontrast ved at højreklikke på legenden og sæt z-planet til nul.
      3. Zoom i regionen valg (hvis praktisk). Klik på "crop" værktøj i startmenuen. Træk markøren over billedet for at markere området af valg. Tryk på "gælder". Check "opret ny kanal" for at åbne det valgte område i et nyt vindue.
      4. Vælg "ekstrakt profiler" fra menuen værktøjer. Et nyt vindue åbnes.
      5. Tegn en linje på tværs af nanosheet. Skriv ned tykkelsen i en tabel. I tilfælde af ikke-homogent tykke nanosheets, gennemsnit tykkelsen på tværs af nanosheet. Tag ekstrem omhu for at måle kun individuelt deponeret og ikke-aggregerede nanosheets.
      6. Gentag 3.2.5.3-3.2.5.5 for alle nanosheets på billedet.
      7. Gentag 3.2.5.1-3.2.5.6 for alle billedes registreres. Count minimum 150 nanosheets.
  3. Konvertering af AFM tykkelse til lag nummer
    BEMÆRK: Tilsyneladende AFM højder fra flydende eksfolierede nanomaterialer sædvanligvis overvurderet på grund af tilstedeværelsen af ​​resterende opløsningsmiddel. Desuden nøjagtige højdemålinger af inhomogene prøver (såsom nanomaterialer deponeret på substrater) ved hjælp af AFM er generelt udfordrende på grund af bidrag fra effekter såsom kapillære kræfter og vedhæftning, som afhænger af de materielle og måleparametre. 19,20 For at overvinde disse problemer og for at omdanne den tilsyneladende målte AFM tykkelse til antallet af lag, en procedure betegnet trinhøjde analyse blev udviklet som beskrevet i det følgende. 12,13,16,21. Trin 3.3.1-3.3.4 kan springes hvis trinhøjde er kendt.
    1. Open, korrekt og beskære AFM billedet som beskrevet i punkt 3.2 for at vælge en nanosheet med klart mærkbar terrasser.
    2. Måle højden på tværs afnanosheet bruge "udtrække" profil værktøj.
      BEMÆRK: Egnede profiler viser diskrete trin som den i figur 2B indsatte.
      1. Optag højden af disse trin (dvs. højdeforskellen fra den ene terrasse til den næste på nanosheet).
    3. Tæl mindst 70 af disse trin.
    4. Plot trinhøjde i stigende rækkefølge (Figur 2C).
      BEMÆRK: Bemærk at for TMDS den tilsyneladende trinhøjde er altid et multiplum af ~ 1,9 nm.
    5. Opdel den tilsyneladende AFM tykkelse (målt som beskrevet i afsnit 3.2) med 1,9 nm til at opnå laget nummer.
      BEMÆRK: Andre materialer har andre trinhøjde omregningsfaktorer, der kræver en anden kalibrering.

4. Bestemmelse af MoS2 og WS 2 Størrelse og Tykkelse Baseret på Extinction Spectra

  1. erhvervelse Spectra
    1. Fortynd den høje koncentration prøver med respective medium (her vandig natriumcholat, 2 g L-1) til opnåelse af ekstinktionerne under 2 over hele spektralområde.
    2. Indstil forhøjelser for den spektrale erhvervelse til 0,5 nm i indstillingerne for instrumentet eller brug scanningshastighed langsom eller medium.
    3. Vælg indstillingerne "subtrahere baseline" i indstillingerne instrumentet. Anbring kuvetten indeholdende det vandige natriumcholatopløsning i prøverummet af spektrometeret og køre målingen.
    4. Tag kuvetten med natriumcholatopløsning fra spektrometer og tøm den. Udfyld prøven, som anbringes prøven i prøven rum i spektrometer og køre en scanning af prøven.
  2. Længde bestemmelse fra nøgletal intensitet
    1. Mulighed 1: Læs-off intensiteten på A-exciton, Ext A (~ 660 nm for MoS2 og 620 nm for WS 2) og den lokale minimum Ext min (345 nm for MoS2 og 295 nm for WS 2). Deleintensiteten på A-exciton af intensiteten på det lokale minimum for at opnå intensitetsforholdet Ext A / Ext min.
    2. Bestem den gennemsnitlige nanosheet længde, <L> ved hjælp af ligning 1.
      ligning 1 (Eq. 1)
      hvor Ext A / Ext min er intensiteten forholdet mellem ekstinktion ved A-exciton (Ext A) og det lokale minimum (Ext min).
      BEMÆRK: Ligningen gælder for både MoS2 og WS 2. Imidlertid er dens nøjagtighed begrænset især for små nanosheets.
    3. Mulighed 2: Bestem intensitet forholdet mellem den lokale maksimum i UV-området af spektret, Ext Max-HE (270 nm for MoS2 og 235 nm for WS 2) og det lokale minimum, Ext min (345 nm for MoS2 og 295 nm for WS 2)
    4. Bestem den gennemsnitlige nanosheet længde, <L> ved anvendelse af ligning 2.
      "Ligning Med Ext max-HE angiver intensiteten på det lokale maksimum ved høj energi (270 nm for MoS2 og 235 nm for WS 2) og Ext min udslettelse intensitet på det lokale minimum (345 nm for MoS2 og 295 nm for WS 2 ).
      BEMÆRK: Mulighed 2 giver en mere nøjagtig måling af den laterale størrelse. Imidlertid kan den høje energi-regionen ikke være tilgængelig i alle opløsningsmidler / overfladeaktivt middel.
  3. Koncentration
    1. Optag udryddelsen intensitet i forhold til en cm vejlængde ved 345 nm for MoS2 og 235 nm for WS 2.
      BEMÆRK: Del registreres målte ekstinktion ved vejlængde af kuvetten.
    2. Divider denne intensitet ved ekstinktionskoefficienterne af 68 Lg -1 cm-1 ved 345 nm for MoS2 og 47 Lg -1 cm-1 ved 235 nm for WS 2 for at opnå den nanokoncentration heet i gL -1.
  4. Tykkelse bestemmelse fra A-exciton position
    1. Beregn den anden afledede af spektret.
      1. Brug af dataanalyse og graftegning software (f.eks, OriginPro), vælge den kolonne, der indeholder udslettelse intensitet. Klik på fanebladet "analyse", vælg "matematik" fra drop down menuen og "differentiere", "åben dialog". Et nyt vindue åbnes. Indstil derivat for at 2 og trykker ok.
    2. Glat andet derivat ved Tilstødende Gennemsnits- (~ 10-20 point pr vindue i A-exciton region).
      1. For eksempel ved hjælp dataanalysen og graftegning software, plotte den anden afledede spektrum.
        1. Med den grafiske vindue aktive, skal du klikke på "analyse" og vælg "signalbehandling", derefter "glat" og derefter "åben dialog" fra drop down menuen. Et nyt vindue åbnes.
        2. Vælge4, Tilstødende Gennemsnitsberegnings "som udjævning metode og sæt punkter til 20.
        3. Plot resulterende glattede spektrum, der vises som nye kolonner. Hvis støjen er stadig høj, gentages udjævning.
          BEMÆRK: Normalt er spektral udglatning påkrævet for at reducere støjen, medmindre der anvendes et højt integrationstider under målingen. Den passende udglatning er en vigtig del af dataanalyse og den passende udjævning metode afhænger af det ønskede resultat. Denne særlige udjævning metode er kun ideel til at bestemme den gennemsnitlige maksimale position. 13
    3. Aflæses toppositionen fra den anden afledede. Dette er bølgelængden af den A-exciton, λ A. Alternativt, udføre de trin, der beskrives i 4.4.4-4.4.7.
    4. Konverter x-aksen fra bølgelængde til energi ved hjælp af forholdet:
      E (eV) = 4.135E-6 * 2.997E8 / λ (nm)
    5. Monter den anden afledede til den anden afledede af en Lorentzian.
      BEMÆRK: En Lorentzian kan skrives som
      ligning 3 (Eq. 3)
      Hvor h er højden, E '0 er centrum og w er FWHM. Differentiering to gange i forhold til E giver
      ligning 4 (Eq. 4)
      1. I dataanalyse og graftegning software, vælg "værktøjer" fra hovedmenuen og vælg "fitting funktion builder". Et nyt vindue åbnes.
      2. Vælg "Opret en ny funktion", klik næste.
      3. Lad standardindstillingerne, giver funktionen et navn, og klik næste.
      4. Indstil "h, E, w" som parametre, klik næste.
      5. Enter "(-8 * h / w ^ 2) * (1-3 * (2 * (Ex) / w) ^ 2) / (1+ (2 * (Ex) / w) ^ 2) ^ 3" som funktion krop, skal du klikke på finish.
      6. Plot kun A-exciton region af den anden afledede spektrum på energiskala.
      7. Medgrafik vinduet aktiv, skal du klikke på fanen "analyse". Vælg "fitting", "ikke-lineær kurve fit", "åben dialog" fra drop down menuen. Et nyt vindue åbnes.
      8. Vælg "brugerdefineret" i kategorien og vælg den tidligere bygget funktion i funktionen kassen. I fanen "parametre" sæt startværdier for w til 0,1, og E til 1,99 for WS 2 og 1,85 for MoS2. Tryk "fit"
    6. Optage energien E '0, som er den energi der er forbundet med A-exciton, E' A.
    7. Bestem antallet af lag i henhold til ligningerne 5 (MoS2) og 6 (WS 2).
      ligning 5 (Eq. 5, MoS2)
      ligning 6 (Eq. 6, WS 2)
      med λ A betegner bølgelængden af A-Exciton og E A betegner energien af A-exciton.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Flydende kaskade centrifugering (figur 1) er en kraftfuld teknik til at sortere væske-ekspanderet nanosheets efter størrelse og tykkelse som illustreret i figur 2 for både MoS2 og WS 2. Nanosheet laterale størrelser og tykkelser kan karakteriseres ved statistisk TEM og AFM hhv. En typisk AFM billede er vist i figur 2A. Den tilsyneladende nanosheet tykkelse omdannes til lag nummer ved hjælp af trinhøjde analyse (Figur 2B og C). Statistisk mikroskopisk analyse udbytter længden og antallet af lag histogrammer som vist i figur 2D og E, hhv. Denne analyse over et bredt antal fraktioner fremstillet af LCC anvendes til at karakterisere udvælgelsen størrelse proces. I fig 2F og G, er den gennemsnitlige nanosheet længde og lagnummer afbildet som funktion af central acceleration af LCC. En lignende tendens observeres for både MoS2 og WS 2. For at få yderligere indsigt i både eksfoliering og størrelse udvælgelse, er længden plottet som funktion af nanosheet lag nummer i figur 2H viser veldefinerede relationer bekræfter, at mindre, tyndere nanosheets er adskilt fra større, tykkere dem.

Selvom mikroskopi statistikker er et vigtigt grundlag for at karakterisere størrelsen-udvælgelsesprocessen, lider de af den ulempe, at de er ekstremt tidskrævende. Alternativt kan optisk ekstinktion spektre anvendes til at kvantificere både længde og tykkelse. Dette er illustreret i figur 3. Figur 3A og C viser optisk ekstinktion spektre af MoS2 (A) og WS 2 (C) med forskellige gennemsnitlige nanosheet størrelser og tykkelser. Figurerne 3B og D viser corresponding monteret anden afledede af A-exciton region af begge materialer illustrerer veldefinerede peak forskydninger af overgangen.

En måde at udtrykke spektrale ændringer er via peak intensitet nøgletal på faste spektrale positioner. Hvis disse vælges med omhu, kan de være relateret til den gennemsnitlige nanosheet længde som vist i figur 3E, F. Interessant data for MoS2 og WS 2 kollapser på samme kurve, hvis der vælges passende toppositioner. For eksempel topintensiteter af A-exciton over det lokale minimum Ext A / Ext min følger den samme tendens for begge materialer (figur 3E), samt toppens intensitetsforhold ved den maksimale høj energi over det lokale minimum Ext Max- HE / Ext min (figur 3F). Dette betyder, at nanosheet størrelse for begge materialer kan knyttes kvantitativt til nanosheet længde via M> de samme ligninger (Eq. 1 og 2). På grund af ændringerne i spektral form, ekstinktionskoefficienter er også afhængig af nanosheet størrelse. Dette er mere eller mindre alvorlig afhængigt af spektrale position. For eksempel som afbildet i figur 3G, ekstinktionskoefficienten af A-exciton for begge materialer er stærkt længde afhængig. Dette er imidlertid ikke tilfældet ved 345 nm for MoS2 og 235 nm for WS 2, således at ekstinktionskoefficienten ved disse spektrale positioner kan anvendes som et rimeligt robust mål for nanosheet koncentration over et bredt område af størrelser. Hertil kommer, at extinction spektre ikke kun give indsigt i nanosheet laterale størrelse og dispergeret koncentration, men også i nanosheet tykkelse. Antallet af lag kan kvantitativt relateret til toppositionen / energi af A-exciton (opnået fra en analyse af den anden afledede) som afbildet i figur 3H.

"> Figur 2
Figur 2: Størrelse beslutsomhed og resultat af LCC størrelse udvælgelse til MoS2 og WS 2. A) repræsentant AFM billede af individuelt deponerede nanosheets i todimensionale (øverst) og tredimensionale (nederst) visning. Fra sådanne billeder, nanosheet længde, L og tilsyneladende AFM højde, dvs, tykkelse, er t bestemmes. B) Billede (indsat) og line profil på tværs af en uhomogent ekspanderet nanosheet. Trin forbundet med terrasser på nanosheet er tydeligt mærkbare. C) Step højder af nanosheets såsom i B plottet i stigende rækkefølge. For både MoS2 og WS 2, disse er altid et multiplum af 1,9 nm. Det betyder et lag har en tilsyneladende AFM tykkelse på 1,9 nm. D) Histogram af nanosheet længde af en repræsentativ prøve fra statistisk TEM. E) Antal lag, N N blev bestemt ved at dividere den tilsyneladende tykkelse ved trinhøjde på 1,9 nm. F, G) Mean nanosheet længde <L> (F) og antallet af lag <n> (G) afbildet som en funktion af central RCF i LCC. H) Plot af nanosheet længde som en funktion af tykkelse for størrelsesselekteret MoS2 og WS 2. Tilpasset med tilladelse fra 12,13. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3: Extinction spektre og spektroskopiske størrelse og tykkelse målinger. A, C) Optisk udryddelse spektre af LCC adskilt MoS2 (A) og WS 2 (C B, D) Anden derivater af A-exciton afbildet versus energi til MoS2 (B) og WS 2 (D) efter udjævning den anden afledede med Tilstødende Gennemsnitsberegnings. De fuldt optrukne linier er passer til den anden afledede af en Lorentz at vurdere toppositioner / energier. E, F) Plots af peak nøgletal intensitet som funktion af gennemsnitlig nanosheet længde <L>. Data for MoS2 og WS 2 falder på samme kurve. Derfor de samme ligninger kan anvendes til at kvantificere nanosheet længde. E) Plot af toppen intensitet ratio på A-exciton / lokalt minimum. <L> kan bestemmes ifølge ligning 1. F) Plot af toppen intensitetsforhold ved den maksimale høje energi / lokalt minimum. <L> kan bestemmes ifølge ligning 2. G) ekstinktionskoefficient ved difskellige spektrale positioner som funktion af nanosheet længde. På nogle spektrale positioner (såsom A-exciton), ekstinktionskoefficienter er yderst størrelse afhængig, mens andre (345 nm for MoS2 og 235 nm for WS 2) dette ikke er tilfældet. H) Plot af A-exciton peak energier (fra anden afledede) plottet som funktion af lag nummer <N>. Layer numre kan bestemmes ifølge ligning 5 og 6. Tilpasset med tilladelse fra 12,13. Klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Prøveforberedelse

De her beskrevne prøver fremstilles ved spids lydbehandling. Alternative exfoliation fremgangsmåder kan anvendes, men vil føre til forskellige koncentrationer, laterale størrelser og grader af delaminering. Højere amplituder og længere på pulser under lydbehandling bør undgås for at forhindre beskadigelse af den sonikator. Lignende resultater blev opnået under anvendelse af 500 W processorer. Men sonication tid og amplitude har en indvirkning på nanosheet eksfoliering og variationer fra denne protokol kan resultere i forskellige nanosheet størrelser og koncentrationer end præsenteres her. Vi understreger, at afkøling er kritisk under sonikering, som opvarmning kan skade og nedbryde nanosheets og forringe de resulterende optiske egenskaber af det opnåede materiale. Mens højere indledende koncentrationer af TMD pulver kan øge nanosheet koncentration end den, der opnås her, betyder dette ikke forekommer lineært. For tip-lydbehandling, den spredte concentration mætter typisk ud over indledende TMD koncentrationer på 30-40 gL -1.

Den valgte størrelse udvælgelse kaskade kan modificeres let at passe til en ønsket resultat. Mens denne specifikke procedure udbytter nanosheet størrelser og tykkelser over en bred størrelse vifte i de forskellige fraktioner, hvis kun bestemte størrelser er målrettet kan springes centrifugeringsfaciliteterne trin. For eksempel, hvis der ønskes mellemstore nanosheets, prøven kan centrifugeres ved kun to forskellige centrifugal accelerationer og sedimentet redispergeres. Alternativt kan mere komplekse kaskader anvendes for at opnå monolag berigelse (se 13 for yderligere afklaring). Denne fleksibilitet i kombination med evnen til at gendispergere prøverne ved høje koncentrationer er en enestående fordel ved LCC forhold til andre størrelse-selektionsprotokoller.

Det anbefales at bruge fylde højder i centrifugen hætteglas med <10 cm for denne protokol. Hvis større filLing højder i hætteglassene anvendes, de centrifugeringstider skal øges for at opnå sammenlignelige resultater. Sedimentet skal altid pelletere-lignende for effektiv størrelse udvælgelse og supernatanten dekanteres omhyggeligt og fuldstændigt. Hvis sedimentet er ikke pellet-lignende, skal øges centrifugeringen tid. Højere temperaturer (også under centrifugeringen) bør undgås, og prøver opbevares bedst i køleskabet for at minimere materiale nedbrydning efter fremstillingen. Hvis centrifugering udføres ved lavere temperaturer, sedimentering er langsommere og centrifugeringstider kan kræve justering. Forskellige centrifuge og rotor geometrier kan resultere i afvigelser længde og tykkelse fra de repræsentative data vist. Trods disse finesser generelt udvælgelse størrelse proceduren er robust og kan anvendes på forskellige materialer i opløsningsmidler samt overfladeaktive midler. Den endelige supernatant efter centrifugering ved høje accelerationer typisk kasseres,da det indeholder meget små (<30 nm) nanosheets med egenskaber domineret af kanter. Størrelse udvælgelse ordningen kan udføres i enhver bordcentrifuge (dvs.., Er ikke ultracentrifuge kræves imod densitetsgradientcentrifugering). Her blev alle centrifugeringer udføres ved 15 ° C i 2 timer i hvert trin under anvendelse af 220R centrifuge (se Materialer List). To forskellige rotorer blev anvendt; til hastigheder ≤ 3.500 xg, blev en fast vinkel rotor anvendes, hvor centrifugeringen rate, f (i kopm) er relateret til den centrifugalkraft via RCF = 106,4 f2. I dette tilfælde 28 ml hætteglas med ~ 10 ml portioner = 10 cm påfyldning højde blev anvendt. For hastigheder> 3.500 xg, blev prøverne centrifugeret i 1,5 ml plast centrifugeret rør i en fast vinkel rotor, hvor f er relateret til centrifugalkraften via RCF = 97,4 f 2.

Til analysen af ​​nanosheet længde, anbefales TEMsom analyseværktøj på grund af den højere opløsning sammenlignet med scanningselektronmikroskopi og højere gennemløb i forhold til AFM. Desuden AFM har også den ulempe, at laterale størrelser er typisk overvurderet grundet tip udvidelse og pixilation. kan bruges som helst traditionel TEM selv med acceleration spænding på 200 kV. I dette tilfælde blev billeddannelse udført på vandudtryk kulstof gitre (400 mesh). For meget små nanosheets, kan kontinuerlig film gitre være gavnligt, men er ikke påkrævet. Til gengæld er AFM anbefales som analyseværktøj til at bestemme nanosheet lag nummer. Dette er fordi TEM tykkelse bestemmelse af kant tælling kan være problematisk, da nanosheets bliver tyndere mod kanten, hvilket nødvendiggør, at multiple regioner for hvert nanosheet skulle inspiceres for at bestemme den gennemsnitlige tykkelse. Dette er langt mindre problematisk, når der anvendes AFM som den målte tykkelse let midlet over inhomogene nanosheets. For AFM analyse er det især vigtigt at undgå re-aggregation af nanosheets på waferen under afdampning af opløsningsmiddel. For at undgå dette, anbefales det, at dispersionen er drop-støbt på forvarmede wafers. Vand-bæreren fordamper straks og dannes bobler, hvilket resulterer i mere ensartet afsætning forhold til slip casting på wafers ved lavere temperatur. Si / SiO 2 vafler med 200-300 nm oxidlag anbefales som nano-skaleret genstande kan ses med et optisk mikroskop / optisk zoom som blå pletter. 22 Dette er en nyttig guide til at afsætte områder af interesse for billeddannelse. Synsfeltet skal justeres i henhold til nanosheet størrelse. For data præsenteret her, var AFM udført på 13 um scanner i aflytning tilstand. Typiske billedstørrelser varierede fra 2 x 2 um 2 til maksimalt 8 x 8 um 2 for de større nanosheets på scan satser på 0,4-0,7 Hz med 512 linier pr billede. Alternativt, afhængigt af den specifikke AFM eller scanner, scanning af større områder i en højere opløsning (f.eks 2 med 1.024 linjer) kunne være bekvemt. Et typisk billede er vist i figur 2A, B. Resterende overfladeaktive middel kan gøre tykkelsesmålinger meget kedelig især for meget små nanosheets der er mere vanskelige at skelne fra overfladeaktivt middel. I dette tilfælde kan fase billeder giver en vejledning, som de normalt giver en god kontrast mellem forskellige materialer. Hvis problemer med resterende tensid fortsætter, kan de vafler lægges i blød i vand natten over uden væsentligt tab af nanosheets på wafer.

Generelt kan tælle mindre end 150-200 nanosheets være tilstrækkelig for prøver med mindre middelstørrelse, da disse har tendens til at være mindre polydisperse. Hvis en ikke-size-valgte lager dispersion analyseres, anbefales det, at der skal registreres mindst 200 nanosheets. Hvis der anvendes opløsningsmidler hele proceduren i stedet for tensid / vandopløsninger, dispersionerne skal fortyndes med det respektive opløsningsmiddel prior for at deposition. Der skal udvises forsigtighed under billeddannelse ikke til at påvirke optællingen mod større nanosheets, som er lettere at skelne. Koncentrationen af ​​de deponerede dispersioner er vigtig, da nanosheets tendens til at re-aggregat for høje koncentrationer nanosheet, hvilket fører til unøjagtige størrelse / tykkelse beslutsomhed. Outliers mod ekstreme nanosheet størrelser på enten større eller mindre ende dåse skævhed statistikken dramatisk. I ekstreme tilfælde, bør disse ikke indgå i fastlæggelsen af ​​de middelværdier. Histogrammer typisk log-normal i form 23 (figur 2D, E). Hvis dette ikke er tilfældet, optællingen og / eller billedbehandling kan være forudindtaget. Fra disse histogrammer og den statistiske analyse, opnås den aritmetiske middelværdi nummer. Dette er typisk også forbundet med den del volumenvægtede middelværdi og derfor en gyldig måling af lateral størrelse / tykkelse.

Størrelse udvælgelse og målinger

Begge mener nanosheet længde, <L> og nanosheet tykkelse, <N> reduceres som centrifugeringsfaciliteterne satser er steget, dvs som spredningen skrider frem gennem kaskaden. Vi kan kvantificere disse effekter ved at plotte <L> (fra TEM) som en funktion af den centrifugale acceleration (RCF) er forbundet med midtpunktet af centrifugerings- satser betegnet som centrale RCF (figur 2F). Den gennemsnitlige nanosheet længde falder af som (central RCF) -0.5 for både MoS2 og WS 2. På samme centrale centrifugale acceleration, de laterale størrelser af MoS2 er lidt større end for WS 2, som er tilskrevet den lavere densitet af materialet. Tilsvarende <N> (fra AFM-statistik) afsættes mod centrale RCF i figur 2G. Den falder med central rotationshastighed via (central RCF) -0,4. Interessant nok data fra MoS2 og WS 2groft kollapser på samme kurve. Årsager til denne adfærd er i øjeblikket ikke forstået og kræver yderligere udforskning. Afslutningsvis er mindre og tyndere nanosheets adskilt fra større og tykkere som illustreret i fig 2H.

Selvom dette kan forventes fra centrifugering, vi bemærke, at dette ikke nødvendigvis er relateret til centrifugering processen alene. Dette er også fordi vi konsekvent finde for en række materialer afstødes ved lydbehandling (MoS2 12, WS 2 13, MoO3 24, sort phosphor 16, GAS 15), tyndere nanosheets tendens til at være mindre, mens tykkere nanosheets tendens til at være større . En analyse af de laterale dimensioner for nanosheets af en given tykkelse i hver fraktion tidligere var det gennemsnitlige længde af nanosheet er nogenlunde konstant inden en prøve for forskellige tykkelser. 13 Dette er interessant, da det IMPLIES at denne centrifugering er længden separationsproces i første tilnærmelse. Dette antyder, at ligevægt i centrifugeringen ikke nås efter de relativt korte centrifugeringstider af 2 h i hvert trin, således at, tilbage diffusion og friktion kan spille en fremtrædende rolle. Det betyder også, at forskellige nanosheet længde tykkelse forbindelser kan fremstilles ved at modificere kaskaden. 13

Den spektrale profil optisk udslettelse spektre afhænger stærkt af nanosheets dimensioner grundet kant og indespærring effekter. Her bruger vi fraktionerne produceret af LCC at undersøge effekten af nanosheet størrelse og tykkelse på udryddelse spektre af MoS2 og WS 2. Extinction spektre målt i standard transmission indeholder bidrag fra både absorbans og spredning. 12,25 Absorbansspektre kan opnås ved en måling i centrum af en integrerende kugle, hvor alle spredt lys opsamles. I resorende regime, dvs. hvor nanomaterialet absorberer lys, spredning spektrum følger absorbansen nogenlunde i form. Derfor kan der opnås information kodet i en absorbans spektrum fra en analyse af udslettelse spektre. 12,13,15-17 I den ikke-resonante regime (over ~ 700 nm for MoS2 og WS 2), kan spredningen eksponent bestemmes som også relateret til nanosheet (lateral) størrelse. Se referencer 12,13,15-17.

Som vist i figur 3A og C, optiske extinction spektre udviser de karakteristiske excitonic overgange, 26, men varierer systematisk med nanosheet størrelse og tykkelse. Foruden variationer i de relative intensiteter over hele spektrale regioner, er forskydninger af de excitonic overgange observeret. Dette er bedst visualiseres fra den anden afledede spektre i området ved A-exciton (figur 3B og D

Kanteffekter resultere i en afhængighed af den spektrale profil på nanosheet længde. 12 Ændringerne i spektral form med nanosheet laterale størrelse kan rationaliseres ved kanterne bliver elektronisk forskellig fra center regioner. Derfor ekstinktionskoefficienten forbundet med nanosheet kant er forskellig fra ekstinktionskoefficienter på de basale planer. Dette kan kvantificeres via forholdet mellem udryddelse intensiteter ved to forskellige bølgelængder. I princippet kan enhver peak intensitetsforhold være relateret til nanosheet størrelse. Imidlertid vil størrelsen metrics være mere pålidelige jo større forskel i den spektrale form ved de givne positioner. Egnede eksempler er intensitet nøgletal på A-exciton til, at der på det lokale minima, Ext A / Ekst min (figur 3E) eller på højenergi maksima til, at der på det lokale minima, Ext Max-HE / Ext min, (figur 3F).

<p class = "jove_content"> Dataene i figur 3E, kan F monteres på følgende ligning 12

ligning 7 (Eq. 7)

Hvor ε c er ekstinktionskoefficienten forbundet med nanosheet basal plane, Δ ε = ε E - ε c hvor ε E er kantområdet ekstinktionskoefficient, og L, X og k er den nanosheet længde, kant tykkelse og længde-bredde aspekt forholdet henholdsvis. Vi finder denne ligning passer dataene meget godt tillade os at generere funktioner vedrørende den gennemsnitlige nanosheet længde, L til udslettelse peak intensitet nøgletal (se ligningerne 1 og 2). Intensitetsforholdet Ext A / Ext min er særdeles nyttig, da det også kan anvendes til opløsningsmiddelsystemer, hvor opløsningsmidlet selv absorberer light i UV-området. Det er imidlertid mindre nøjagtige og nedbryder til mindre nanosheets. Det anbefales derfor at bruge ligning 2 involverer ekst Max-HE / Ext min når UV-området er tilgængelig.

Som et resultat af disse randeffekter, ændre ekstinktionskoefficienter som en funktion af nanosheet størrelse (figur 3G) foretage nøjagtige koncentrationsmålinger af nanosheets i dispersionen udfordrende. Men for både MoS2 og WS 2, var vi i stand til at identificere spektrale positioner, hvor ekstinktionskoefficienten er bredt invariant med nanosheet størrelse. For MoS2, ekstinktionskoefficienten ved 345 nm (ε 345nm (MoS2) = 68 Lg -1 cm-1) kan anvendes som universel koefficient til bestemmelse dispergeret koncentration over et bredt størrelsesområde, og for WS 2, er ekstinktionskoefficienten 235 nm (ε 235nm (WS 2) = 48 Lg -1 cm-1) er udbredt størrelse invariant.

Udover længde effekter, uddøen spektre indeholder også oplysninger om gennemsnitlig nanosheet tykkelse. Disse medfører forskydninger af A-exciton position (figur 3H) mod lavere bølgelængder som nanosheet tykkelse reduceres. Vi afgør tyngdepunktet topposition af A-exciton fra anden afledede at linke ændringer i den spektrale profil kvantitativt at betyde nanosheet tykkelse ifølge ligningerne 5 og 6. Både MoS2 og WS 2 følger en logaritmisk relation med samme hældning . Vi tilskriver disse skift til ændringer i bandet struktur med lag nummer og ændringer i den gennemsnitlige dielektricitetskonstant omkring TMD enheder med lag nummer.

Protokollen beskriver state-of-the-art flydende eksfoliering af lagdelte materialer og deres størrelse udvælgelse af flydende kaskade centrifugering. MoS2 og WS2 i vandig opløsning af overfladeaktivt middel bliver valgt som modelsystemer. Den kan imidlertid anvendes til andre lagdelte materialer eller opløsningsmiddelsystemer. Denne alsidighed er en stor styrke, da det gør en bred vifte af materialer med rimeligt veldefineret størrelse findes i væsker. Desuden er en detaljeret beskrivelse af den korrekte laterale størrelse og tykkelse bestemmelse ved hjælp af statistisk mikroskopi forudsat. Selvom mikroskopi er meget udbredt som et analyseværktøj, skal der udvises stor forsigtighed for at opnå nøjagtige og pålidelige statistikker, som utilstrækkelig prøveforberedelse (såsom deponering høj koncentration prøver) og unøjagtige analyse og billedbehandling kan dramatisk forspænde de statistiske middelværdier.

Selvom ekstremt vigtigt, denne statistiske mikroskopi er samtidig en flaskehals i at gøre prøver af flydende eksfolierede nanomaterialer tilgængelige høj kvalitet. Det er simpelthen fordi proceduren er trættende og tidskrævende. I dette manuskriptVi også diskutere et alternativ til at omgå dette problem. Princippet er baseret på forbindelse nanosheet størrelser og tykkelser kvantitativt til deres optiske spektre såsom udryddelse spektre. Disse varierer betydeligt og systematisk som en funktion af størrelse. Dette kan bruges til at udtrække kvantitative oplysninger om både nanosheet lateral størrelse og tykkelse fra det optiske spektre. Sådanne målinger er meget magtfulde, som, efter kalibrering, de giver nanosheet størrelse og tykkelse oplysninger inden for få minutter. Fordelen ved dette er mindst dobbelt. På den ene side kan de anvendes til at forbedre og forstå både delaminering og udvælgelse størrelse ved andre teknikker end dem, der anvendes her. På den anden side, de tilbyder en enestående mulighed for at fremstille prøver med kendt størrelse og tykkelse let at muliggøre studiet af størrelse følger både for de grundlæggende undersøgelser og applikationer. Desuden skal det bemærkes, at lighederne mellem MoS2 og WS 2målinger er meget opmuntrende og tyder på, at - med denne protokol ved hånden - kan etableres tilsvarende målinger for andre lagdelte materialer.

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

Engineering lagdelte materialer overgang metal dichalcogenides flydende eksfoliering udvælgelse størrelse centrifugering optiske egenskaber indespærring kant effekter
Udarbejdelse af Liquid-afstødes Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets med kontrolleret størrelse og tykkelse: En State of the Art protokollen
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