साथ नियंत्रित आकार तरल-exfoliated संक्रमण धातु Dichalcogenide nanosheets और मोटाई की तैयारी: कला प्रोटोकॉल का एक राज्य

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Summary

nanosheets करने के लिए बहुस्तरीय सामग्री के तरल छूटना के लिए एक प्रोटोकॉल, उनके आकार चयन और सूक्ष्म और स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक द्वारा आकार माप प्रस्तुत किया है।

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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).

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Abstract

Introduction

तरल चरण में उत्पादन संभावना के लिए और इस प्रक्रिया graphene, संबंधित दो आयामी (2 डी) क्रिस्टल उन्हें, मिश्रित सामग्री, सेंसर के रूप में आवेदन की बढ़ती श्रृंखला के लिए सामग्री का वादा करता है ऊर्जा भंडारण और रूपांतरण और लचीला (ऑप्टो) इलेक्ट्रॉनिक्स में। 1-6 जैसे कि इन आवेदनों पर मांग पार्श्व आकार और nanoscale घटकों की मोटाई, साथ ही नियंत्रित rheological और रूपात्मक गुण मुद्रण / कोटिंग प्रक्रियाओं औद्योगिक पैमाने पर करने के लिए उत्तरदायी के साथ सस्ती और विश्वसनीय कार्यात्मक स्याही की आवश्यकता होगी भीतर 2 डी nanomaterials शोषण। 7 इस संबंध में तरल चरण छूटना एक महत्वपूर्ण उत्पादन बड़ी मात्रा में nanostructures की एक पूरी की मेजबानी के लिए एक्सेस दे तकनीक बन गया है। 6,8,9 इस विधि तरल पदार्थ में sonication या बहुस्तरीय क्रिस्टल के बाल काटना शामिल है। तरल उचित रूप से (यानी, उपयुक्त सॉल्वैंट्स या surfactant) चुना जाता है तो nanosheets रों होगीreaggregation के खिलाफ tabilized। कई अनुप्रयोगों और सबूत की सिद्धांत उपकरणों इस तरह की तकनीक के द्वारा प्रदर्शन किया गया है। 6 शायद इस रणनीति की सबसे बड़ी ताकत के रूप में कई स्तरों पर होती माता पिता क्रिस्टल exfoliated और एक समान तरीके से कार्रवाई की है, सामग्री की एक व्यापक पैलेट जो वांछित आवेदन के अनुरूप किया जा सकता तक पहुँच उपलब्ध कराने जा सकता है, अपनी बहुमुखी प्रतिभा है।

हालांकि, हाल ही में इस प्रगति के बावजूद, उसके एवज में polydispersity कि इन तरल चरण उत्पादन के तरीके के कारण पैदा होती है (nanosheet लंबाई और मोटाई के संदर्भ में) अभी भी उच्च प्रदर्शन उपकरणों की प्राप्ति में एक अड़चन प्रस्तुत करता है। यह ज्यादातर क्योंकि उपन्यास और अभिनव आकार चयन तकनीक के विकास के इस प्रकार अब तक थकाऊ सांख्यिकीय माइक्रोस्कोपी (परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी, AFM और / या संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, मंदिर) का उपयोग की आवश्यकता है nanosheets लंबाई और मोटाई लक्षण वर्णन है।

इन चुनौतियों के बावजूद, seveRAL centrifugation तकनीक की लंबाई और मोटाई छँटाई प्राप्त करने के लिए सूचित किया गया है। 6,10-13 सरलतम परिदृश्य सजातीय centrifugation, जहां फैलाव एक दिया केन्द्रापसारक त्वरण पर centrifuged है और सतह पर तैरनेवाला विश्लेषण के लिए निथर जाता है। centrifugation गति आकार में कटौती बंद, जिससे उच्च गति, छोटे सतह पर तैरनेवाला में nanosheets हैं सेट। हालांकि, इस तकनीक के दो बड़े नुकसान से ग्रस्त है; सबसे पहले, जब बड़े nanosheets चयनित होने के लिए कर रहे हैं (यानी, फैलाव कम गति पर centrifuged है और सतह पर तैरनेवाला निथर जाता है) सभी छोटे nanosheets भी नमूने में रहेगा। दूसरे, centrifugation गति की परवाह किए बिना, सामग्री का एक महत्वपूर्ण अनुपात तलछट में बर्बाद हो जाता है।

आकार चयन के लिए एक वैकल्पिक रणनीति घनत्व ढाल (या isopycnic) centrifugation है। 11,14 इस मामले में, फैलाव एक अपकेंद्रित्र ट्यूब सह में इंजेक्ट किया जाता हैएक घनत्व ढाल मध्यम ntaining। ultracentrifugation (आमतौर> 200,000 XG) के दौरान, एक घनत्व ढाल का गठन किया है और nanosheets सेंट्रीफ्यूज जहां उनके प्रसन्नचित्त घनत्व (स्थिरता प्राप्त करने और विलायक खोल सहित घनत्व) ढाल का घनत्व मैचों में बात करने के लिए चलते हैं। ध्यान दें कि nanomaterial भी (जहां यह इंजेक्ट किया गया था पर निर्भर करता है) इस प्रक्रिया के दौरान ऊपर की ओर स्थानांतरित कर सकते हैं। ऐसे में, nanosheets प्रभावी ढंग से मोटाई के बजाय द्रव्यमान (सजातीय centrifugation के खिलाफ) के अनुसार क्रमबद्ध हैं। इस प्रक्रिया मोटाई से nanosheets सुलझाने के लिए एक अनूठा अवसर प्रदान करता है, यह उल्लेखनीय नुकसान से ग्रस्त है। उदाहरण के लिए, पैदावार बहुत कम हैं और वर्तमान में अलग nanosheets का बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए अनुमति नहीं है। यह आंशिक रूप से तरल-विभाजन के बाद शेयर dispersions में monolayers के कम सामग्री से संबंधित है और संभवतः भविष्य में छूटना प्रक्रियाओं के अनुकूलन के द्वारा सुधार किया जा सकता है। इसके अलावा, यह आम तौर पर एक समय लेने वाली बहु कदम हैultracentrifugation प्रक्रिया कई iterations से जुड़े कुशल आकार चयन प्राप्त करने के लिए। इसके अलावा, अकार्बनिक nanomaterials के मामले में, यह बहुलक स्थिर dispersions के लिए आवश्यक प्रसन्नचित्त घनत्व प्राप्त करने के लिए प्रतिबंधित है और फैलाव में ढाल मध्यम आगे की प्रक्रिया के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं।

हमने हाल ही में पता चला है कि एक प्रक्रिया है हम शब्द तरल झरना centrifugation (एलसीसी) एक आकर्षक विकल्प प्रदान करता है 13 के रूप में हम भी इस पांडुलिपि में विस्तार। यह एक बहु कदम प्रक्रिया है जो अत्यंत बहुमुखी विभिन्न झरने की अनुमति है वांछित परिणाम के अनुसार बनाया जा रहा है। इस प्रक्रिया का प्रदर्शन करने के लिए, एक मानक झरना चित्र 1 में चित्रित किया और जिससे प्रत्येक पिछले की तुलना में एक उच्च गति विशेषताएं एकाधिक centrifugation कदम शामिल है। प्रत्येक चरण के बाद, तलछट बनाए रखा है और सतह पर तैरनेवाला तो कार्यवाही चरण में प्रयोग किया जाता है। नतीजतन, प्रत्येक तलछट एक दिया nanosheets में शामिलआकार सीमा जो दिया है अलग गति के साथ दो centrifugations के बीच "फंस"; जबकि उच्च गति सतह पर तैरनेवाला में छोटे nanosheets को हटा कम एक पिछले तलछट में बड़ा nanosheets हटाने। एलसीसी के लिए महत्वपूर्ण है, जिसके परिणामस्वरूप तलछट संबंधित माध्यम है, जो इस मामले में जलीय सोडियम cholate एच 2 ओ-अनुसूचित जाति (0.1 जी एल -1 के रूप में के रूप में कम सांद्रता में अनुसूचित जाति) है में हल्के sonication द्वारा पूरी तरह से redispersed जा सकता है। परिणाम लगभग किसी भी चुना एकाग्रता के साथ dispersions है। महत्वपूर्ण बात है, वास्तव में कोई सामग्री एलसीसी में बर्बाद किया है, आकार चयनित nanosheets की अपेक्षाकृत बड़ी जनता के संग्रह में जिसके परिणामस्वरूप। यहाँ दिखाया गया है, हम राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के साथ ही गैस, 15 काले फास्फोरस 16 और दोनों विलायक और surfactant प्रणालियों में graphene 17 सहित तरल exfoliated nanosheets के एक नंबर करने के लिए इस प्रक्रिया का आवेदन किया है।

इस अनूठी centrifugation procedurई तरल exfoliated nanosheets के कुशल आकार-चयन के लिए सक्षम बनाता है और बाद में उनके आकार और मोटाई दृढ़ संकल्प के संदर्भ में एक महत्वपूर्ण प्रगति के लिए सक्षम है। विशेष रूप से, इस दृष्टिकोण के माध्यम से हम पहले से दिखा दिया है कि ऑप्टिकल विलुप्त होने (और absorbance) nanosheets के स्पेक्ट्रा दोनों nanosheets के समारोह के रूप में व्यवस्थित ढंग से बदलने के पार्श्व आयाम और nanosheets मोटाई। हम यहाँ संक्षेप में प्रस्तुत किया है, यह हमें nanosheet बढ़त प्रभाव का एक परिणाम के रूप में मतलब nanosheet लंबाई को nanosheet वर्णक्रम प्रोफ़ाइल (विलुप्त होने के स्पेक्ट्रम के दो पदों पर विशेष तीव्रता के अनुपात) से जोड़ने के लिए अनुमति दी गई है। 12,13 महत्वपूर्ण बात है, एक ही समीकरण राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के आकार यों इस्तेमाल किया जा सकता है। इसके अलावा, हम एक-exciton स्थिति कारावास प्रभाव के कारण मतलब nanosheet मोटाई के एक समारोह के रूप में कम तरंग दैर्ध्य की ओर बदलाव है कि दिखा। यहाँ तक कि छूटना, साथ ही आकार चयन और दृढ़ संकल्प हालांकि सामान्य नहीं बल्कि लूटने में हैंअस्ट प्रक्रियाओं, मात्रात्मक परिणाम प्रोटोकॉल में बारीकियों पर निर्भर करता है। हालांकि, विशेष रूप से क्षेत्र के लिए नए लोगों के लिए, यह मुश्किल न्याय करने के लिए जो प्रक्रिया पैरामीटर सबसे ज्यादा प्रासंगिक हैं। यह सच है कि शोध पत्र की प्रयोगात्मक वर्गों केवल, किसी न किसी प्रोटोकॉल प्रदान पर चर्चा क्या परिणाम की उम्मीद की जा करने के लिए जब प्रक्रिया को संशोधित करने या प्रोटोकॉल के पीछे एक तर्कसंगत दे रहा है बिना करने के लिए नीचे आता है। इस योगदान के लिए, हम यह पता करने के साथ ही या तो सांख्यिकीय माइक्रोस्कोपी या विलुप्त होने स्पेक्ट्रा के विश्लेषण के द्वारा आकार का सही निर्धारण नियंत्रित आकार के तरल-exfoliated nanosheets के उत्पादन के लिए और करने के लिए एक विस्तृत गाइड और चर्चा कराने का इरादा है। हमें विश्वास है कि इस reproducibility में सुधार करने में मदद मिलेगी रहे हैं और आशा है कि यह इस शोध के क्षेत्र में अन्य experimentalists के लिए एक उपयोगी गाइड होगा।

आकृति 1
figuफिर 1: तरल झरना centrifugation द्वारा आकार चयन के योजनाबद्ध। आकार चयनित nanosheets अवसादों के रूप में एकत्र कर रहे हैं। प्रत्येक तलछट इकट्ठा किया जाता है या दो centrifugation गति (ω) कम गति से शुरू करने और कदम से कदम करने अधिक लोगों को जाने के बीच "फंस"। जबकि सतह पर तैरनेवाला पिछले centrifugation कदम के बाद खारिज अत्यंत छोटे nanosheets शामिल तलछट पहले centrifugation के बाद खारिज कर दिया unexfoliated बहुस्तरीय crystallites में शामिल है। आकार चयनित dispersions कम मात्रा में ही मध्यम (यहां जलीय surfactant समाधान) में एकत्र अवसादों फिर से dispersing द्वारा तैयार हैं। 13 से अनुमति के साथ अनुकूलित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Protocol

1. तरल छूटना - उपयुक्त स्टॉक Dispersions की तैयारी

  1. एक बर्फ स्नान में एक sonotrode के नीचे एक धातु कप माउंट।
  2. धातु कप में सोडियम cholate (एससी) surfactant (सोडियम cholate एकाग्रता, सी एस सी = 6 जी एल -1) के 80 एमएल जलीय घोल में TMD पाउडर का 1.6 जी विसर्जित कर दिया।
  3. और फिर ~ 1 सेमी द्वारा धातु कप के नीचे करने के लिए ध्वनि टिप ले जाएँ। ध्वनि जांच के आसपास एल्यूमीनियम पन्नी लपेटें बहाव से बचने के लिए।
  4. जांच sonication द्वारा बर्फ ठंडा तहत मिश्रण sonicate 60% आयाम (6 s और 2 एस बंद की नब्ज) पर 1 घंटे के लिए एक ठोस Flathead टिप (750 W प्रोसेसर) का उपयोग हीटिंग से बचने के लिए।
  5. 1.5 घंटे के लिए 2,660 XG की एक centrifugation गति से फैलाव अपकेंद्रित्र। दोष युक्त सतह पर तैरनेवाला त्यागें और 80 एमएल ताजा surfactant समाधान में तलछट (सी एस सी = 2 जी एल -1) इकट्ठा।
    नोट: अधिकतम 10 सेमी की सेंट्रीफ्यूज ट्यूबों में अधिकतम भरने ऊंचाइयों का प्रयोग करें। otherwise, centrifugation समय में वृद्धि।
  6. एक दूसरे को फैलाव विषय है, अब sonication 60% आयाम बर्फ ठंडा तहत (6 s और 2 एस बंद की नब्ज) में 5 घंटे के लिए ठोस Flathead टिप का उपयोग कर। जबकि sonication रोक बर्फ स्नान हर 2 घंटे बदलें।

तरल झरना centrifugation द्वारा 2. Nanosheet आकार चयन

नोट: आकार, क्रमिक रूप से केन्द्रापसारक त्वरण में वृद्धि के साथ तरल झरना centrifugation द्वारा nanosheets चयन करने के लिए (चित्रा 1) लागू किया जाता है। निम्नलिखित प्रक्रिया टीएमडीएस के मामले में झरना के मानक आकार चयन के रूप में सिफारिश की है। अन्य सामग्री के लिए, centrifugation गति समायोजित करने की आवश्यकता हो सकती है।

  1. 240 XG (1.5 krpm), 2 घंटे पर centrifugation द्वारा unexfoliated पाउडर निकालें। तलछट त्यागें।
  2. एक उच्च केन्द्रापसारक त्वरण पर तैरनेवाला अपकेंद्रित्र: 425 XG (2 krpm), 2 एच। कम मात्रा में (3-8 एमएल) पर ताजा surfactant में तलछट ले लीजिए।
  3. अपकेंद्रित्रयहां तक ​​कि उच्च केन्द्रापसारक त्वरण पर तैरनेवाला: 950 XG (3 krpm), 2 एच। कम मात्रा में (3-8 एमएल) पर ताजा surfactant में तलछट ले लीजिए।
  4. निम्नलिखित केन्द्रापसारक accelerations के साथ इस प्रक्रिया को दोहराएँ: 1700 XG (4 krpm), 2,650 XG (5 krpm), 3500 XG (6 krpm), 5500 XG (7.5 krpm), और 9,750 XG (10 krpm)।

3. nanosheets आकार और मोटाई सांख्यिकीय माइक्रोस्कोपी द्वारा निर्धारण

नोट: स्पेक्ट्रोस्कोपी मेट्रिक्स पहले से ही उपलब्ध हैं, धारा 3 या छोड़ दिया जा सकता है कम, यानी, हर नमूना के लिए बाहर नहीं किया जाता।

  1. लंबाई: संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (मंदिर)
    1. निक्षेप
      1. पानी के साथ उच्च एकाग्रता dispersions पतला (surfactant एकाग्रता को कम करने के लिए) इतना है कि वे रंग में प्रकाश के हैं। ड्रॉप एक ग्रिड एक फिल्टर झिल्ली अतिरिक्त विलायक दूर बाती पर रखा गया है (उदाहरण के छेददार कार्बन, 400 जाल के लिए) पर डाली।
    2. इमेजिंग
      1. रिकार्ड कई imagग्रिड पर विभिन्न पदों पर es। nanosheet आकार पर निर्भर करता है देखने के क्षेत्र को समायोजित करें। एक व्यापक मंदिर इमेजिंग ट्यूटोरियल के लिए, संदर्भ 18 देखें।
    3. सांख्यिकीय विश्लेषण लंबाई ImageJ का उपयोग कर प्रदर्शन किया
      1. , ImageJ सॉफ्टवेयर खोलें "फाइल" मेनू और "खुले" छवि के माध्यम से प्रासंगिक मंदिर छवि का चयन करें। छवि एक नए विंडो में खुलेगा।
      2. "विश्लेषण" टैब पर क्लिक करें। ड्रॉप डाउन मेनू से "सेट पैमाने" का चयन करें। एक नयी विंडो खुलेगी। "पैमाने हटाने" क्लिक करें, टिकटिक "वैश्विक" और क्लिक करें "ठीक है"।
      3. "पंक्ति" उपकरण का चयन करें। मंदिर छवि के पैमाने पर पट्टी की लंबाई के साथ एक लाइन ड्रा प्रोफ़ाइल।
      4. क्लिक करें "विश्लेषण"। ड्रॉप डाउन मेनू से "सेट पैमाने" का चयन करें। "ज्ञात दूरी" बॉक्स में एनएम में पैमाने पर पट्टी की लंबाई दर्ज करें और क्लिक करें "ठीक है"।
        ध्यान दें: पैमाने पर पट्टी पर खींची गई रेखा की दूरी पिक्सेल में प्रदर्शित किया जाता है। "पंक्ति" उपकरण का चयन करें और nanosheet की सबसे लंबी अक्ष की एक पंक्ति प्रोफाइल ड्राइंग द्वारा nanosheet लंबाई मापने।
      5. मापने के लिए प्रेस "नियंत्रण + एम"। लेबल "परिणाम" एक नया बॉक्स "लंबाई" कॉलम में प्रदर्शित nanosheet लंबाई के साथ खुलता है।
      6. छवि में सभी को व्यक्तिगत रूप से जमा nanosheets (नहीं एकत्रित वाले) के लिए दोहराएँ चरण 3.1.3.6।
      7. जब एक नई छवि खोलने, दोहराने 3.1.3.3- 3.1.3.7 कदम। 150 nanosheets की लंबाई की गणना करें।
        नोट: सभी nanosheet लंबाई डेटा "परिणाम" खिड़की में संकलित किया गया है और आगे की प्रक्रिया के लिए अन्य कार्यक्रमों में कॉपी किया जा सकता है।
  2. मोटाई: परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM)
    1. फैलाव इतना है कि मानव आंखों के लिए लगभग पारदर्शी हैं पतला (के विलुप्त होने के लिए इसी तीव्रता आदर्श ~ 400 एनएम पर 0.2 प्रति 1 सेमी pathlength)। surfactant dispersions के मामले में, पानी surfactant नहीं के साथ पतला।
    2. ड्रॉपपूर्व गर्म वेफर्स पर डाली। पानी आधारित फैलाव के लिए, वेफर के लिए ~ 170 डिग्री सेल्सियस गर्मी एक गर्म थाली और जमा प्रति 0.5 x 0.5 सेमी 2 वेफर 10 μL पर।
    3. अच्छी तरह से पानी के 5 एमएल और 2-propanol के 3 एमएल की एक न्यूनतम के साथ वेफर्स कुल्ला अवशिष्ट surfactant और अन्य अशुद्धियों को दूर करने के लिए।
    4. स्कैन और मोड दोहन में AFM के साथ नमूना भर में एकाधिक छवियों को बचाने के लिए। छोटे nanosheets के लिए अधिकतम 2 एक्स 2 माइक्रोन 2 की छवि और छवि आकार प्रति 512 लाइनों के एक संकल्प का उपयोग करें। बड़ा nanosheets युक्त नमूने के लिए, अप करने के लिए 8 x 8 माइक्रोन से 2 को देखने के क्षेत्र में वृद्धि। उचित (आम तौर पर 0.4-0.7 हर्ट्ज) के रूप में स्कैन दरों का प्रयोग करें। वैकल्पिक रूप से, उच्च संकल्प पर बड़े क्षेत्रों को स्कैन।
    5. मोटाई माप Gwyddion सॉफ्टवेयर का उपयोग
      1. सॉफ्टवेयर खोलें और "फाइल" और "खुले" के माध्यम से प्रासंगिक AFM छवि का चयन करें। छवि एक नए विंडो में खुलेगा।
      2. पृष्ठभूमि मतलब विमान सु द्वारा "स्तर डेटा का प्रयोग कर सहीbtraction "" पंक्तियों संरेखित "और" सही क्षैतिज निशान "घर मेनू के" डेटा की प्रक्रिया "खंड में। सुधार लागू, कथा पर राइट क्लिक करके बेहतर विपरीत के लिए छवि रंग बदलने के लिए और शून्य करने के लिए z विमान निर्धारित किया है।
      3. पसंद के क्षेत्र में ज़ूम (यदि सुविधाजनक)। घर मेनू में "फसल" उपकरण पर क्लिक करें। पसंद के क्षेत्र को चिह्नित करने के लिए छवि पर कर्सर खींचें। प्रेस "लागू करें"। एक नए विंडो में चयनित क्षेत्र को खोलने के लिए "नया चैनल बनाने के लिए" की जाँच करें।
      4. उपकरण मेनू से "निकालने प्रोफाइल" का चयन करें। एक नई विंडो खुल जाता है।
      5. nanosheet भर में एक लाइन ड्रा। नीचे एक तालिका में मोटाई लिखें। गैर-समान रूप से मोटी nanosheets के मामले में औसत nanosheet भर मोटाई। केवल व्यक्तिगत रूप से जमा और गैर एकत्रित nanosheets को मापने के लिए अत्यधिक ध्यान रखना।
      6. छवि पर सभी nanosheets के लिए 3.2.5.3-3.2.5.5 दोहराएँ।
      7. सभी छवि के लिए 3.2.5.1-3.2.5.6 दोहराएँदर्ज की गई। न्यूनतम 150 nanosheets गणना।
  3. परत संख्या को AFM मोटाई का रूपांतरण
    नोट: स्पष्ट तरल exfoliated nanomaterials से AFM ऊंचाइयों आमतौर पर अवशिष्ट विलायक की उपस्थिति के कारण overestimated रहे हैं। इसके अलावा, inhomogeneous नमूनों की सटीक ऊंचाई माप का उपयोग कर AFM (जैसे substrates पर जमा nanomaterials के रूप में) ऐसे केशिका बलों और आसंजन जो सामग्री और माप मानकों पर निर्भर के रूप में प्रभाव से योगदान के कारण आम तौर पर चुनौती दे रहे हैं। 19,20 इन समस्याओं को दूर करने के लिए और परतों की संख्या, निम्नलिखित में वर्णित के रूप में एक प्रक्रिया करार दिया कदम ऊंचाई विश्लेषण करने के लिए विकसित किया गया था स्पष्ट मापा AFM मोटाई परिवर्तित करने के लिए। 12,13,16,21। कदम 3.3.1-3.3.4 यदि कदम ऊंचाई में जाना जाता है को छोड़ दिया जा सकता है।
    1. ओपन, सही और 3.2 में वर्णित के रूप में स्पष्ट रूप से नमूदार छतों के साथ एक nanosheet चयन करने के लिए AFM छवि फसल।
    2. भर में ऊंचाई मापनेnanosheet "निकालने" प्रोफ़ाइल उपकरण का उपयोग।
      नोट: उपयुक्त प्रोफाइल चित्रा 2 बी इनसेट में से एक के रूप में असतत चरणों दिखा।
      1. इन चरणों की ऊंचाई रिकॉर्ड (यानी, nanosheet पर अगले करने के लिए एक छत से ऊंचाई अंतर)।
    3. गणना इन कदमों से कम से कम 70।
    4. आरोही क्रम (चित्रा -2) में कदम ऊंचाई प्लॉट।
      नोट: ध्यान से देखें कि टीएमडीएस के लिए स्पष्ट कदम ऊंचाई हमेशा ~ 1.9 एनएम एक बहु है।
    5. 1.9 एनएम द्वारा (धारा 3.2 में वर्णित के रूप में मापा जाता है) परत संख्या प्राप्त करने के लिए स्पष्ट AFM मोटाई फूट डालो।
      नोट: अन्य सामग्री अन्य कदम ऊंचाई रूपांतरण एक अलग अंशांकन की आवश्यकता होती है कारक है।

विलुप्त होने स्पेक्ट्रा के आधार पर राज्य मंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 आकार और मोटाई का निर्धारण 4.

  1. स्पेक्ट्रा अधिग्रहण
    1. respecti के साथ उच्च एकाग्रता नमूने पतलामध्यम (यहां जलीय सोडियम cholate, 2 जी एल -1) पूरे वर्णक्रमीय रेंज भर में 2 नीचे विलुप्त होने की उपज के लिए किया है।
    2. साधन सेटिंग्स में 0.5 एनएम वर्णक्रमीय अधिग्रहण के लिए वेतन वृद्धि सेट या स्कैन गति धीमी या मध्यम का उपयोग करें।
    3. सेटिंग्स "घटाना आधारभूत" साधन सेटिंग्स में चुनें। स्पेक्ट्रोमीटर का नमूना डिब्बे में जलीय सोडियम cholate समाधान युक्त क्युवेट रखें और माप चलाते हैं।
    4. स्पेक्ट्रोमीटर से सोडियम cholate समाधान के साथ क्युवेट निकालें और यह खाली है। नमूने में भरें, स्पेक्ट्रोमीटर का नमूना डिब्बे में नमूना प्लेस और नमूने के एक स्कैन चलाते हैं।
  2. तीव्रता अनुपातों से लंबाई दृढ़ संकल्प
    1. विकल्प 1: पढ़ें-ऑफ ए-exciton पर तीव्रता, एक्सटेंशन (~ राज्यमंत्री 2 के लिए 660 एनएम और डब्ल्यू एस 2 के लिए 620 एनएम) और स्थानीय न्यूनतम एक्सटेंशन मिनट (राज्यमंत्री 2 के लिए 345 एनएम और WS के लिए 295 एनएम 2)। फूट डालोस्थानीय कम से कम एक-exciton तीव्रता से कम तीव्रता तीव्रता अनुपात एक्सटेंशन / एक्सटेंशन मिनट प्राप्त करने के लिए।
    2. 1 समीकरण का उपयोग करके मतलब nanosheet लंबाई, <एल> निर्धारित करते हैं।
      1 समीकरण (Eq। 1)
      जहां एक्सटेंशन / एक्सटेंशन min एक-exciton (एक्सटेंशन ए) और स्थानीय न्यूनतम (एक्सटेंशन मिनट) पर विलुप्त होने की तीव्रता अनुपात है।
      नोट: समीकरण दोनों राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए रखती है। हालांकि, इसकी सटीकता विशेष रूप से छोटे nanosheets के लिए सीमित है।
    3. विकल्प 2: स्पेक्ट्रम, एक्सटेंशन मैक्स-HE (राज्यमंत्री 2 के लिए 270 एनएम और डब्ल्यू एस 2 के लिए 235 एनएम) और स्थानीय न्यूनतम, एक्सटेंशन मिनट (राज्यमंत्री 2 और 345 एनएम का यूवी क्षेत्र में स्थानीय अधिकतम तीव्रता के अनुपात का निर्धारण डब्ल्यू एस 2 के लिए 295 एनएम)
    4. 2 समीकरण का उपयोग करके मतलब nanosheet लंबाई, <एल> निर्धारित करते हैं।
      "2 एक्सटेंशन मैक्स-HE तीव्रता स्थानीय अधिकतम पर उच्च ऊर्जा (राज्यमंत्री 2 के लिए 270 एनएम और डब्ल्यू एस 2 के लिए 235 एनएम) और विलुप्त होने तीव्रता मिनट एक्सटेंशन पर स्थानीय न्यूनतम पर (राज्यमंत्री 2 के लिए 345 एनएम और 295 एनएम था 2 के लिए दर्शाता है )।
      नोट: विकल्प 2 पार्श्व आकार का एक और अधिक सटीक उपाय देता है। हालांकि, उच्च ऊर्जा क्षेत्र के सभी सॉल्वैंट्स / surfactant में सुलभ नहीं हो सकता है।
  3. एकाग्रता
    1. डब्ल्यू एस 2 के लिए राज्यमंत्री 2 के लिए 345 एनएम और 235 एनएम पर विलुप्त होने तीव्रता 1 सेमी pathlength के सापेक्ष रिकॉर्ड, क्रमशः।
      नोट: क्युवेट की pathlength द्वारा दर्ज मापा विलुप्त होने फूट डालो।
    2. के विलुप्त होने के गुणांक से इस तीव्रता फूट डालो 68 एलजी -1 सेमी -1 राज्यमंत्री 2 और 47 एलजी के लिए 345 एनएम पर -1 सेमी -1 था 2 नैनो प्राप्त करने के लिए 235 एनएम परजीएल में heet एकाग्रता -1।
  4. एक-exciton स्थिति से मोटाई दृढ़ संकल्प
    1. स्पेक्ट्रम के दूसरे व्युत्पन्न की गणना।
      1. डेटा विश्लेषण और रेखांकन सॉफ्टवेयर (जैसे, OriginPro) का उपयोग करना, विलुप्त होने तीव्रता युक्त स्तंभ का चयन करें। "विश्लेषण" टैब पर क्लिक करें, ड्रॉप डाउन मेनू से "गणित" और "अलग", "खुले संवाद"। एक नयी विंडो खुलेगी। 2 से व्युत्पन्न आदेश सेट और प्रेस ठीक है।
    2. (ए-exciton क्षेत्र में खिड़की के प्रति 10-20 अंक ~) के औसत से सटे दूसरे व्युत्पन्न चिकनी।
      1. उदाहरण के लिए, डेटा विश्लेषण और रेखांकन सॉफ्टवेयर का उपयोग कर, दूसरा व्युत्पन्न स्पेक्ट्रम साजिश है।
        1. सक्रिय ग्राफिक खिड़की के साथ, "विश्लेषण" पर क्लिक करें और 'सिग्नल प्रोसेसिंग "का चयन करें, फिर" चिकनी "ड्रॉप डाउन मेनू से फिर" खुले संवाद "। एक नयी विंडो खुलेगी।
        2. चुनें4, 20 को विधि चौरसाई और सेट अंक के रूप में आसन्न औसत का "।
        3. परिणामी smoothed स्पेक्ट्रम जो नए स्तंभ के रूप में प्रदर्शित किया जाता है प्लॉट। शोर अभी भी अधिक है, समरेखण को दोहराएँ।
          नोट: आमतौर पर, वर्णक्रमीय समरेखण जब तक माप के दौरान उच्च एकीकरण बार उपयोग किया जाता है शोर को कम करने के लिए आवश्यक है। उचित समरेखण डेटा विश्लेषण का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है और उचित समरेखण विधि वांछित परिणाम पर निर्भर करता है। यह विशेष रूप से समरेखण विधि ही मतलब चरम स्थिति निर्धारित करने के लिए आदर्श है। 13
    3. पढ़ें बंद दूसरा व्युत्पन्न से चरम स्थिति। यह एक-exciton, λ एक की तरंग दैर्ध्य है। वैकल्पिक रूप से, कदम 4.4.4-4.4.7 में वर्णित बाहर ले।
    4. संबंध का उपयोग कर ऊर्जा के लिए तरंगदैर्ध्य से एक्स अक्ष कन्वर्ट:
      ई (ईवी) = 4.135E-6 * 2.997E8 / λ (एनएम)
    5. एक Lorentz के दूसरे व्युत्पन्न करने के लिए दूसरा व्युत्पन्न फ़िटइयान।
      नोट: एक Lorentzian के रूप में लिखा जा सकता है
      3 समीकरण (Eq। 3)
      जहां एच ऊंचाई है, 'ई 0 केंद्र है और w FWHM है। सम्मान के साथ दो बार फर्क करने के लिए देता है
      4 समीकरण (Eq। 4)
      1. डेटा विश्लेषण और रेखांकन सॉफ्टवेयर में, मुख्य मेनू से "उपकरण" चुनें और चुनें "फिटिंग समारोह बिल्डर"। एक नयी विंडो खुलेगी।
      2. "एक नया समारोह बनाने" का चयन करें, next।
      3. डिफ़ॉल्ट सेटिंग्स को छोड़ दें, समारोह में एक नाम देने के लिए और अगले क्लिक करें।
      4. सेट "एच, ई, डब्ल्यू" पैरामीटर के रूप में, अगला क्लिक करें।
      5. दर्ज "(-8 * एच / डब्ल्यू ^ 2) * (1-3 * (2 * (पूर्व) / डब्ल्यू) ^ 2) / (1 + (2 * (पूर्व) / डब्ल्यू) ^ 2) ^ 3" के रूप में समारोह शरीर, समाप्त क्लिक करें।
      6. प्लॉट ऊर्जा पैमाने पर दूसरा व्युत्पन्न स्पेक्ट्रम का केवल एक-exciton क्षेत्र।
      7. उसके साथग्राफिक्स खिड़की सक्रिय, "विश्लेषण" टैब पर क्लिक करें। "फिटिंग" "nonlinear वक्र फिट", "खुले संवाद" ड्रॉप डाउन मेनू से चुनें। एक नयी विंडो खुलेगी।
      8. श्रेणी में "उपयोगकर्ता परिभाषित" का चयन करें और समारोह बॉक्स में पहले से निर्मित समारोह चुनें। टैब "पैरामीटर" में था 2 के लिए 1.99 करने के लिए W 0.1 करने के लिए, और ई प्रारंभिक मूल्यों को निर्धारित और राज्यमंत्री 2 के लिए 1.85। जबरदस्ती घुसाना"
    6. ऊर्जा '0 है, जो एक-exciton, ई के साथ जुड़े ऊर्जा है' एक रिकॉर्ड है।
    7. समीकरणों 5 (राज्यमंत्री 2) और 6 (था 2) के अनुसार परतों की संख्या निर्धारित करते हैं।
      5 समीकरण (Eq। 5, राज्यमंत्री 2)
      समीकरण 6 (Eq। 6, था 2)
      λ के साथ एक-excito की तरंग दैर्ध्य denotingएन और ई ए-exciton की ऊर्जा denoting।

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Representative Results

तरल झरना centrifugation (चित्रा 1) के रूप में दोनों राज्य मंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए चित्रा 2 में सचित्र आकार और मोटाई से तरल exfoliated nanosheets सुलझाने के लिए एक शक्तिशाली तकनीक है। Nanosheet पार्श्व आकार और मोटाई, सांख्यिकीय मंदिर और AFM द्वारा होती जा सकता क्रमशः। एक ठेठ AFM छवि चित्रा 2A में दिखाया गया है। स्पष्ट nanosheet मोटाई कदम ऊंचाई विश्लेषण (चित्रा 2 बी और सी) का उपयोग कर संख्या परत में बदल जाती है। सांख्यिकीय सूक्ष्म विश्लेषण पैदावार की लंबाई और परत की संख्या में इस तरह के रूप में क्रमश: चित्रा 2 डी और में प्रस्तुत histograms। एलसीसी से उत्पादित अंशों की एक व्यापक नंबर पर इस विश्लेषण आकार के चयन की प्रक्रिया को चिह्नित करने के लिए प्रयोग किया जाता है। चित्रा 2 एफ और जी में, मतलब nanosheet लंबाई और परत संख्या प्रतिशत के समारोह के रूप में साजिश रची हैएलसीसी की RAL त्वरण। ऐसा ही एक प्रवृत्ति दोनों राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए मनाया जाता है। दोनों छूटना और आकार चयन में आगे अंतर्दृष्टि हासिल करने के लिए, लंबाई चित्रा 2H में nanosheet परत संख्या अच्छी तरह से परिभाषित संबंधों की पुष्टि है कि छोटे, पतले nanosheets बड़ा, मोटा लोगों से अलग हो रहे हैं दिखाने का समारोह के रूप में साजिश रची है।

हालांकि माइक्रोस्कोपी सांख्यिकी आकार-चयन प्रक्रिया को चिह्नित करने के लिए एक महत्वपूर्ण आधार हैं, वे दोष से ग्रस्त है कि वे बहुत समय लगता है। वैकल्पिक रूप से, ऑप्टिकल विलुप्त होने स्पेक्ट्रा दोनों की लंबाई और मोटाई यों इस्तेमाल किया जा सकता है। यह 3 चित्र में सचित्र है। चित्रा 3 ए और सी अलग मतलब nanosheet आकार और मोटाई के साथ राज्यमंत्री 2 (ए) और डब्ल्यू एस 2 (सी) के ऑप्टिकल विलुप्त होने स्पेक्ट्रा दिखा। आंकड़े 3 बी और डी कंपनी दिखानेदोनों सामग्री को दर्शाता हुआ संक्रमण की अच्छी तरह से परिभाषित चोटी पारियों में से एक-exciton क्षेत्र के फिट दूसरे डेरिवेटिव rresponding।

एक तरीका यह वर्णक्रम परिवर्तन व्यक्त करने के लिए तय वर्णक्रम पदों पर शिखर तीव्रता अनुपात के जरिए होता है। इन देखभाल के साथ चुना जाता है, तो वे मतलब nanosheet लंबाई से संबंधित हो सकता है के रूप में चित्रा 3E, एफ में दिखाया गया है। दिलचस्प है, राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए डेटा एक ही वक्र पर गिर अगर उचित शिखर पदों चुना जाता है। उदाहरण के लिए, स्थानीय न्यूनतम एक्सटेंशन / एक्सटेंशन मिनट से अधिक एक-exciton के शिखर तीव्रता ही स्थानीय न्यूनतम एक्सटेंशन Max- से अधिक उच्च ऊर्जा अधिकतम पर दोनों सामग्री (3E चित्रा) के लिए प्रवृत्ति है, साथ ही शिखर तीव्रता अनुपात का पालन करें वह / एक्सटेंशन मिनट (चित्रा 3F)। इसका मतलब यह है कि दोनों सामग्री के लिए nanosheet आकार मात्रात्मक के माध्यम से nanosheet लंबाई करने के लिए जोड़ा जा सकता है M> एक ही समीकरण (Eq। 1 और 2)। वर्णक्रमीय आकार में परिवर्तन के कारण विलुप्त होने के गुणांक भी nanosheet आकार पर निर्भर हैं। इस वर्णक्रम स्थिति के आधार पर कम या ज्यादा गंभीर है। उदाहरण के लिए, के रूप में चित्रा 3 जी में साजिश रची, दोनों सामग्री के लिए एक-exciton के विलुप्त होने के गुणांक दृढ़ता लंबाई निर्भर है। हालांकि, इस राज्यमंत्री 2 के लिए 345 एनएम और इतना है कि इन वर्णक्रम पदों पर विलुप्त होने के गुणांक आकार के एक विस्तृत रेंज पर nanosheet एकाग्रता के लिए एक हद तक मजबूत उपाय के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता था 2 के लिए 235 एनएम पर मामला नहीं है। इसके अलावा, विलुप्त होने स्पेक्ट्रा केवल और nanosheet पार्श्व आकार में अंतर्दृष्टि छितरी एकाग्रता, लेकिन यह भी nanosheet मोटाई में प्रदान नहीं करते। परतों की संख्या मात्रात्मक एक-exciton (दूसरा व्युत्पन्न के एक विश्लेषण से प्राप्त) चित्रा 3H में प्लॉट के रूप में की चरम स्थिति / ऊर्जा से संबंधित हो सकता है।

"> चित्र 2
चित्रा 2: आकार दृढ़ संकल्प और राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए एलसीसी आकार चयन का नतीजा है। ए) दो आयामी (ऊपर में व्यक्तिगत रूप से जमा nanosheets के प्रतिनिधि AFM छवि) और तीन आयामी (नीचे) देखें। इस तरह के चित्र, nanosheet लंबाई, एल और स्पष्ट AFM ऊंचाई, यानी, मोटाई से, टी चुना गया है। बी) छवि (इनसेट) और लाइन प्रोफ़ाइल एक inhomogeneously exfoliated nanosheet के पार। nanosheet पर छतों से जुड़े कदम स्पष्ट रूप से discernable हैं। ग) ऐसे बी में के रूप में nanosheets के चरण ऊंचाइयों आरोही क्रम में साजिश रची। दोनों राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए, ये हमेशा 1.9 एनएम की एक बहु कर रहे हैं। इसका मतलब यह है एक परत 1.9 एनएम के एक स्पष्ट AFM मोटाई है। डी) सांख्यिकीय मंदिर से एक प्रतिनिधि नमूने की nanosheet लंबाई के हिस्टोग्राम। ई) परत, एन की संख्या एन में नमूने के हिस्टोग्राम 1.9 एनएम के कदम ऊंचाई से स्पष्ट मोटाई विभाजित करके निर्धारित किया गया था। एफ, जी) मतलब nanosheet लंबाई <एल> (एफ) और परतों <n> (जी की संख्या) एलसीसी में केंद्रीय आरसीएफ के एक समारोह के रूप में साजिश रची। एच) के लिए मोटाई के एक समारोह के रूप में nanosheet लंबाई के लिए प्लॉट का आकार चयनित राज्यमंत्री 2 और 2 था। 12,13 से अनुमति के साथ अनुकूलित। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3: विलुप्त होने स्पेक्ट्रा और स्पेक्ट्रोस्कोपी आकार और मोटाई मेट्रिक्स। ए, सी) एलसीसी के ऑप्टिकल विलुप्त होने स्पेक्ट्रा राज्यमंत्री 2 (ए) और डब्ल्यू एस 2 (सी अलग बी, डी) ए exciton का दूसरा डेरिवेटिव सटे औसत के साथ दूसरा व्युत्पन्न चौरसाई के बाद बनाम राज्य मंत्री 2 (बी) और डब्ल्यू एस 2 (डी) के लिए ऊर्जा की साजिश रची। ठोस लाइनों एक Lorentzian के दूसरे व्युत्पन्न करने के लिए फिट बैठता शिखर पदों / ऊर्जा का आकलन करने के लिए कर रहे हैं। ई, एफ) मतलब nanosheet लंबाई <एल> के एक समारोह के रूप में शिखर तीव्रता अनुपात के भूखंड। राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए डेटा एक ही वक्र पर पड़ता है। इसलिए एक ही समीकरणों nanosheet लंबाई यों इस्तेमाल किया जा सकता है। ई) एक-exciton / स्थानीय न्यूनतम पर शिखर तीव्रता अनुपात का प्लॉट। <एल> के लिए समीकरण 1. एफ) उच्च ऊर्जा अधिकतम / स्थानीय न्यूनतम पर शिखर तीव्रता अनुपात का प्लॉट अनुसार चुना जा सकता है। <एल> समीकरण 2. जी) अलग से विलुप्त होने के गुणांक के अनुसार निर्धारित किया जा सकताnanosheet लंबाई के समारोह के रूप में वर्णक्रम पदों अलग। (जैसे एक-exciton के रूप में) कुछ वर्णक्रम पदों में विलुप्त होने के गुणांक, अत्यधिक आकार निर्भर कर रहे हैं, जबकि दूसरों को (राज्यमंत्री 2 के लिए 345 एनएम और डब्ल्यू एस 2 के लिए 235 एनएम) में यह मामला नहीं है। एच) एक-exciton शिखर ऊर्जा (दूसरा डेरिवेटिव से का प्लॉट) परत संख्या <n> के समारोह के रूप में साजिश रची। परत संख्या समीकरणों 5 और 6 12,13 से अनुमति के साथ अनुकूलित के अनुसार चुना जा सकता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

नमूना तैयार करना

यहाँ वर्णित नमूने नोक sonication द्वारा उत्पादित कर रहे हैं। वैकल्पिक छूटना प्रक्रियाओं में इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन विभिन्न सांद्रता, पार्श्व आकार और विभाजन की डिग्री करने के लिए नेतृत्व करेंगे। sonication के दौरान उच्चतर आयाम और दालों पर अब sonicator के हानिकारक रोकने के लिए बचा जाना चाहिए। इसी तरह के परिणाम 500 W प्रोसेसर का उपयोग कर प्राप्त किया गया। हालांकि, sonication समय और आयाम nanosheet छूटना और इस प्रोटोकॉल से बदलाव के प्रभाव पर एक अलग nanosheet आकार और सांद्रता में हो सकता है की तुलना में यहां प्रस्तुत किया गया है। हम जोर है कि ठंडा sonication के दौरान महत्वपूर्ण है, हीटिंग के रूप में नुकसान और nanosheets नीचा और प्राप्त सामग्री का ऑप्टिकल गुण है, जिसके परिणामस्वरूप खराब कर सकते हैं। TMD पाउडर के उच्च सांद्रता प्रारंभिक यहाँ प्राप्त परे है कि nanosheet एकाग्रता में वृद्धि कर सकते हैं, वहीं इस रैखिक नहीं होती है। टिप-sonication के लिए, छितरी सहncentration आम तौर पर 30-40 जीएल की प्रारंभिक TMD सांद्रता परे संतृप्त -1।

चुने आकार-चयन झरना एक वांछित परिणाम सूट करने के लिए आसानी से संशोधित किया जा सकता है। हालांकि इस विशिष्ट प्रक्रिया पैदावार nanosheet आकारों और विभिन्न भागों में एक व्यापक आकार सीमा से अधिक मोटाई, अगर केवल विशिष्ट आकार लक्षित कर रहे हैं centrifugation कदम को छोड़ दिया जा सकता है। उदाहरण के लिए, यदि मध्यम आकार के nanosheets वांछित हैं, नमूना केवल दो अलग केन्द्रापसारक accelerations पर centrifuged जा सकता है और तलछट redispersed। वैकल्पिक रूप से, और अधिक जटिल cascades monolayer संवर्धन (आगे स्पष्टीकरण के लिए 13 देखें) प्राप्त करने के लिए लागू किया जा सकता है। उच्च सांद्रता में नमूने redisperse करने की क्षमता के साथ संयोजन में यह लचीलापन अन्य आकार-चयन प्रोटोकॉल पर एलसीसी का एक अनूठा लाभ है।

यह इस प्रोटोकॉल के लिए <10 सेमी की सेंट्रीफ्यूज शीशियों में भरकर ऊंचाइयों का उपयोग करने की सिफारिश की है। बड़ा fil हैंशीशियों में लिंग ऊंचाइयों उपयोग किया जाता है, centrifugation बार तुलनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए बढ़ाया जा करने की जरूरत है। तलछट हमेशा गोली की तरह किया जाना चाहिए कुशल आकार चयन और सतह पर तैरनेवाला ध्यान से और पूरी तरह से निथर के लिए। तलछट गोली की तरह नहीं है, तो centrifugation समय बढ़ाया जा करने की जरूरत है। उच्च तापमान (भी centrifugation के दौरान) से बचा जाना चाहिए और नमूने सबसे अच्छी तैयारी के बाद सामग्री गिरावट को कम करने के लिए फ्रिज में जमा हो जाती है। centrifugation कम तापमान पर किया जाता है, तो अवसादन धीमी है और centrifugation बार समायोजन की आवश्यकता हो सकती है। विभिन्न सेंट्रीफ्यूज और रोटर geometries दिखाए प्रतिनिधि डेटा से लंबाई और मोटाई विचलन में परिणाम हो सकता है। हालांकि, इन बारीकियों के बावजूद, सामान्य रूप में, आकार चयन प्रक्रिया मजबूत है और सॉल्वैंट्स के रूप में अच्छी तरह से surfactants में विभिन्न सामग्री के लिए लागू किया जा सकता है। उच्च accelerations पर centrifugation के बाद अंतिम सतह पर तैरनेवाला आम तौर पर खारिज कर दिया हैयह बहुत छोटा (<30 एनएम) केवल किनारों का बोलबाला गुणों के साथ nanosheets शामिल हैं। आकार चयन इस योजना के किसी भी benchtop अपकेंद्रित्र में किया जा सकता है (यानी।, कोई ultracentrifuge आवश्यक है घनत्व ढाल centrifugation के खिलाफ)। इधर, सभी centrifugations 220R सेंट्रीफ्यूज का उपयोग कर प्रत्येक चरण में 2 घंटे के लिए 15 डिग्री सेल्सियस पर प्रदर्शन किया गया है (देखें सामग्री सूची)। दो अलग अलग रोटार इस्तेमाल किया गया; 3,500 XG ≤ गति के लिए, एक निश्चित कोण रोटर नियुक्त किया गया था, जहां centrifugation दर, एफ (krpm में) के माध्यम से आरसीएफ = 106.4 एफ 2 केन्द्रापसारक बल से संबंधित है। इस मामले में, 28 एमएल कांच युक्त ~ 10 एमएल aliquots शीशियों = ऊंचाई 10 सेमी भरने के लिए इस्तेमाल किया गया। के लिए गति> 3,500 XG, नमूनों में 1.5 एमएल प्लास्टिक एक निश्चित कोण रोटर, जहां एफ के माध्यम से आरसीएफ = 97.4 एफ 2 केन्द्रापसारक बल से संबंधित है में ट्यूबों centrifuged centrifuged थे।

nanosheet लंबाई के विश्लेषण के लिए, मंदिर की सिफारिश की हैउच्च संकल्प स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी की तुलना में और उच्च throughput AFM की तुलना के कारण विश्लेषण उपकरण के रूप में। इसके अलावा, AFM भी नुकसान यह है कि पार्श्व आकार आमतौर पर टिप विस्तृत बनाने और pixilation के कारण overestimated हो गया है। यहां तक ​​कि 200 केवी के त्वरण voltages के साथ किसी भी पारंपरिक मंदिर में इस्तेमाल किया जा सकता है। इस मामले में, इमेजिंग छेददार कार्बन ग्रिड (400 जाल) पर प्रदर्शन किया गया था। बहुत छोटे nanosheets के लिए, सतत फिल्म ग्रिड फायदेमंद हो सकता है, लेकिन जरूरी नहीं है। बदले में, AFM nanosheet परत संख्या निर्धारित करने के लिए विश्लेषण उपकरण के रूप में सिफारिश की है। इसका कारण यह बढ़त गिनती द्वारा मंदिर मोटाई दृढ़ संकल्प समस्याग्रस्त हो सकता है, के रूप में nanosheets किनारे की ओर पतली हो, की जरूरत महसूस कि प्रत्येक nanosheet के लिए कई क्षेत्रों मतलब मोटाई निर्धारित करने के लिए निरीक्षण करने की आवश्यकता होती है। यह बहुत कम समस्याग्रस्त जब AFM का उपयोग कर के रूप में मापा मोटाई आसानी से inhomogeneous nanosheets पर औसतन जाता है। AFM विश्लेषण के लिए यह फिर से Agg से बचने के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैविलायक वाष्पीकरण के दौरान वेफर पर nanosheets की regation। इससे बचने के लिए, यह सिफारिश की है कि फैलाव ड्रॉप-डाली पूर्व गर्म वेफर्स पर है। पानी-वाहक तुरंत evaporates और बुलबुले का गठन कर रहे हैं, कम तापमान पर वेफर्स पर कास्टिंग ड्रॉप करने के लिए की तुलना में अधिक समान बयान में जिसके परिणामस्वरूप। सी / SiO 200-300 एनएम ऑक्साइड परत के साथ 2 वेफर्स सिफारिश कर रहे हैं के रूप में नैनो स्केल वस्तुओं नीले धब्बे के रूप में एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप / ऑप्टिकल ज़ूम के साथ देखा जा सकता है। 22 यह इमेजिंग के लिए ब्याज के क्षेत्रों के आवंटन के लिए एक उपयोगी गाइड है। देखने के क्षेत्र nanosheet आकार के अनुसार समायोजित किया जाना चाहिए। यहाँ प्रस्तुत डेटा के लिए, AFM मोड दोहन में 13 माइक्रोन स्कैनर पर बाहर किया गया था। विशिष्ट छवि आकार 2 एक्स 2 माइक्रोन 2 से अधिकतम 8 x 8 माइक्रोन 2 छवि प्रति 512 लाइनों के साथ 0.4-0.7 हर्ट्ज की स्कैन दरों पर बड़ा nanosheets के लिए तक बताया गया। वैकल्पिक रूप से, एक उच्च संकल्प पर विशिष्ट AFM या स्कैनर, बड़े क्षेत्रों की स्कैनिंग के आधार पर (जैसे, 2 1024 लाइनों के साथ करने के लिए) के लिए सुविधाजनक हो सकता है। एक विशिष्ट छवि चित्रा 2A, बी में दिखाया गया है। अवशिष्ट surfactant मोटाई माप बहुत विशेष रूप से बहुत छोटे nanosheets कि surfactant से अलग करने के लिए और अधिक मुश्किल हो जाता है के लिए थकाऊ बना सकते हैं। इस मामले में, चरण छवियों को एक मार्गदर्शन प्रदान कर सकते हैं, के रूप में वे आम तौर पर विभिन्न सामग्रियों के बीच एक अच्छा इसके विपरीत दे। अगर अवशिष्ट surfactant के साथ समस्या जारी रहती है, वेफर्स वेफर पर nanosheets की महत्वपूर्ण नुकसान के बिना रात भर पानी में भिगो जा सकता है।

सामान्य में, कम से कम 150-200 nanosheets गिनती छोटे मतलब आकार के साथ नमूने के लिए पर्याप्त हो सकता है, क्योंकि ये कम polydisperse हो जाते हैं। एक गैर-आकार चयनित शेयर फैलाव का विश्लेषण किया जाता है, यह सिफारिश की है कि कम से कम 200 nanosheets दर्ज किया जाना चाहिए। सॉल्वैंट्स surfactant / पानी के समाधान के बजाय प्रक्रिया के दौरान उपयोग किया जाता है, तो dispersions संबंधित विलायक prio से पतला होने की जरूरतआर बयान करने के लिए। जॉब बड़ा nanosheets, जो विचार करने के लिए आसान कर रहे हैं की ओर गिनती पूर्वाग्रह नहीं इमेजिंग के दौरान लिया जाना चाहिए। जमा dispersions की एकाग्रता के रूप में महत्वपूर्ण nanosheets फिर से कुल करने के लिए अत्यधिक nanosheet सांद्रता के लिए, गलत आकार / मोटाई दृढ़ संकल्प के लिए अग्रणी करते हैं। या तो बड़े या छोटे समाप्त कर सकते हैं पूर्वाग्रह सांख्यिकी नाटकीय रूप से चरम पर nanosheet आकारों की ओर outliers। चरम मामलों में, इन मतलब मूल्यों के निर्धारण में शामिल नहीं किया जाना चाहिए। Histograms आम तौर पर लॉग-सामान्य आकार 23 (चित्रा 2 डी, ई) में हैं। अगर इस मामले में, गिनती नहीं है और / या इमेजिंग पक्षपातपूर्ण हो सकता है। इन histograms और सांख्यिकीय विश्लेषण से, गणित संख्या मतलब प्राप्त की है। यह आमतौर पर भी मात्रा अंश भारित मतलब मूल्य और इसलिए पार्श्व आकार / मोटाई का एक मान्य उपाय करने के लिए संबंधित है।

आकार चयन और मैट्रिक्स

दोनों मतलब nanoshEET लंबाई, <एल> और nanosheet मोटाई, <n> कम कर रहे हैं के रूप में centrifugation दरों में वृद्धि हुई हैं, यानी, के रूप में फैलाव झरना के माध्यम से प्रगति। हम केन्द्रापसारक त्वरण (आरसीएफ) केंद्रीय आरसीएफ (चित्रा 2 एफ) के रूप में चिह्नित centrifugation दरों के मध्य के साथ जुड़े के एक समारोह के रूप में <एल> (मंदिर) से साजिश रचने के द्वारा इन प्रभावों को यों कर सकते हैं। मतलब nanosheet लंबाई के रूप में (केंद्रीय आरसीएफ) दोनों राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए -0.5 बंद हो जाता है। एक ही केंद्रीय केन्द्रापसारक accelerations में राज्यमंत्री 2 के पार्श्व आकार था 2 जो सामग्री के कम घनत्व को जिम्मेदार ठहराया है के लिए की तुलना में थोड़ा बड़ा है। इसी तरह, <n> (AFM आँकड़ों से) चित्रा 2 जी में केंद्रीय आरसीएफ बनाम साजिश रची है। यह माध्यम से (केंद्रीय आरसीएफ) -0.4 केंद्रीय घूर्णन गति के साथ आता है। दिलचस्प है, राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 से डेटालगभग एक ही वक्र पर गिर। इस व्यवहार के लिए कारण वर्तमान में समझ नहीं रहे हैं और आगे की खोज की आवश्यकता है। अंत में, छोटे और पतले nanosheets के रूप में चित्रा 2H में सचित्र बड़ा और मोटा लोगों से अलग हो रहे हैं।

हालांकि इस centrifugation से उम्मीद की जा सकती है, हम ध्यान दें कि यह जरूरी centrifugation प्रक्रिया अकेले से संबंधित नहीं है। यह भी है क्योंकि हम लगातार सामग्री sonication द्वारा exfoliated के एक नंबर के लिए मिल (राज्यमंत्री 2 12, था 2 13, Moo 3 24, काला फास्फोरस 16, गैस 15) कि पतली nanosheets छोटे होने के लिए, जबकि मोटा nanosheets बड़े हो जाते हैं करते हैं । प्रत्येक अंश में एक भी मोटाई की nanosheets के लिए पार्श्व आयाम के विश्लेषण से पता चला है कि पहले से nanosheet का मतलब लंबाई अलग मोटाई के लिए एक नमूना भीतर मोटे तौर पर स्थिर है। 13 यह दिलचस्प है, क्योंकि यह Implएँ कि इस centrifugation पहली सन्निकटन में लंबाई जुदाई प्रक्रिया है। यह पता चलता है कि इतनी, पीठ प्रसार और घर्षण के एक प्रमुख भूमिका निभा सकते हैं कि centrifugation में संतुलन प्रत्येक चरण में 2 घंटे की अपेक्षाकृत कम centrifugation समय के बाद तक पहुँच नहीं है। यह भी मतलब है कि अलग अलग nanosheet लंबाई-मोटाई संबंधों झरना को संशोधित करने से उत्पादन किया जा सकता है। 13

ऑप्टिकल विलुप्त होने स्पेक्ट्रा के वर्णक्रम प्रोफ़ाइल जोरदार बढ़त और प्रसूति के प्रभाव के कारण nanosheets आयामों पर निर्भर करता है। यहाँ हम राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के विलुप्त होने स्पेक्ट्रा पर nanosheet आकार और मोटाई के प्रभाव की जांच करने के लिए एलसीसी द्वारा उत्पादित अंशों का उपयोग करें। विलुप्त होने स्पेक्ट्रा मानक संचरण में मापा दोनों absorbance और बिखरने से योगदान होता है। 12,25 Absorbance स्पेक्ट्रा एक एकीकृत क्षेत्र है जहां सभी बिखरे हुए प्रकाश एकत्र किया जाता है के केंद्र में एक माप से प्राप्त किया जा सकता है। Reso मेंNant शासन, यानी, जहां nanomaterial प्रकाश अवशोषित, बिखरने स्पेक्ट्रम आकार में मोटे तौर पर absorbance के इस प्रकार है। इसलिए, एक absorbance स्पेक्ट्रम में इनकोडिंग जानकारी विलुप्त होने स्पेक्ट्रा के एक विश्लेषण से प्राप्त किया जा सकता है। 12,13,15-17 न सुनाई देती शासन में (ऊपर ~ 700 एनएम राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए), बिखरने प्रतिपादक निर्धारित किया जा सकता है, जो भी nanosheet (पार्श्व) आकार से संबंधित है। संदर्भ देखें 12,13,15-17।

जैसा कि चित्र 3 ए और सी में दिखाया गया है, ऑप्टिकल विलुप्त होने स्पेक्ट्रा विशेषता excitonic संक्रमण, 26 प्रदर्शित लेकिन nanosheet आकार और मोटाई के साथ योजनाबद्ध तरीके से बदलती हैं। पूरे वर्णक्रम क्षेत्रों में रिश्तेदार तीव्रता में बदलाव के अलावा, excitonic बदलाव की पारियों मनाया जाता है। यह सबसे अच्छा एक-exciton (चित्रा 3 बी और डी के क्षेत्र में दूसरा व्युत्पन्न स्पेक्ट्रा से कल्पना है

बढ़त प्रभाव nanosheet लंबाई पर वर्णक्रम प्रोफ़ाइल के एक निर्भरता में परिणाम। 12 nanosheet पार्श्व आकार के साथ वर्णक्रम आकार में परिवर्तन किनारों केंद्र क्षेत्रों से इलेक्ट्रॉनिक रूप से अलग किया जा रहा द्वारा युक्तिसंगत बनाया जा सकता है। इसलिए, विलुप्त होने nanosheet बढ़त के साथ जुड़े गुणांक बेसल विमानों पर विलुप्त होने के गुणांक से अलग है। यह दो अलग अलग तरंग दैर्ध्य में विलुप्त होने तीव्रता के अनुपात के माध्यम से मात्रा निर्धारित किया जा सकता है। सिद्धांत रूप में, किसी भी शिखर तीव्रता अनुपात nanosheet आकार से संबंधित हो सकता है। हालांकि, आकार मैट्रिक्स और अधिक विश्वसनीय बड़ा दी पदों पर वर्णक्रम आकार में अंतर हो जाएगा। उपयुक्त उदाहरण स्थानीय minima पर है कि एक-exciton पर तीव्रता अनुपात हैं, एक्सटेंशन / एक्सटेंशन मिनट (चित्रा 3E) या स्थानीय minima पर है कि उच्च ऊर्जा Maxima पर, एक्सटेंशन मैक्स वह / एक्सटेंशन मिनट, (चित्रा 3F)।

<पी वर्ग = "jove_content"> आंकड़े 3E में डेटा, एफ निम्नलिखित समीकरण से 12 फिट किया जा सकता

समीकरण 7 (Eq। 7)

कहाँ ε विलुप्त होने nanosheet बेसल विमान के साथ जुड़े गुणांक है, Δ ε = ε - ε जहां ε धार क्षेत्र विलुप्त होने के गुणांक है, और एल, एक्स और कश्मीर nanosheet लंबाई, किनारे मोटाई और लंबाई-चौड़ाई पहलू हैं अनुपात, क्रमशः। हम इस समीकरण विलुप्त होने के शिखर तीव्रता अनुपात को मतलब nanosheet लंबाई, एल संबंधित कार्यों उत्पन्न करने के लिए हमें की अनुमति बहुत अच्छी तरह से फिट बैठता है खोजने डेटा (समीकरणों 1 और वहाँ 2)। तीव्रता अनुपात एक्सटेंशन / एक्सटेंशन मिनट, अत्यंत उपयोगी है, क्योंकि यह भी सिस्टम विलायक, जहां विलायक में ही एल अवशोषित लागू किया जा सकतायूवी क्षेत्र में ight। हालांकि, यह कम सटीक है और छोटे nanosheets के लिए टूट जाती है। इसलिए यह समीकरण 2 एक्सटेंशन मैक्स वह / एक्सटेंशन मिनट से जुड़े जब यूवी क्षेत्र पहुँचा जा सकता है का उपयोग करने के लिए सिफारिश की है।

इन बढ़त प्रभाव का एक परिणाम के रूप में, विलुप्त होने के गुणांक nanosheet आकार (चित्रा 3 जी) फैलाव चुनौतीपूर्ण में nanosheets की सटीक माप एकाग्रता बनाने का एक समारोह के रूप में बदल जाते हैं। हालांकि, दोनों राज्य मंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के लिए, हम वर्णक्रम पदों, जहां विलुप्त होने के गुणांक में व्यापक रूप से nanosheet आकार के साथ अपरिवर्तनीय है की पहचान करने में सक्षम थे। राज्यमंत्री 2 के लिए, 345 एनएम पर विलुप्त होने के गुणांक 345nm (राज्यमंत्री 2) = 68 एलजी -1 सेमी -1) एक विस्तृत आकार सीमा से अधिक है और डब्ल्यू एस 2, पर विलुप्त होने के गुणांक के लिए छितरी एकाग्रता का निर्धारण करने के लिए सार्वभौमिक गुणांक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता 235 एनएम 235nm (था 2) = 48 एलजी -1 सेमी -1) व्यापक रूप से आकार अपरिवर्तनीय है।

लंबाई प्रभाव के अलावा, विलुप्त होने स्पेक्ट्रा भी मतलब nanosheet मोटाई पर जानकारी होती है। एक-exciton स्थिति (चित्रा 3H) nanosheet मोटाई के रूप में कम तरंग दैर्ध्य की ओर से पाली में ये परिणाम कम हो जाता है। हम दूसरी डेरिवेटिव से एक-exciton वर्णक्रम प्रोफ़ाइल में परिवर्तन लिंक करने की बड़े पैमाने पर चरम स्थिति के केंद्र निर्धारण मात्रात्मक समीकरणों 5 और 6 दोनों राज्यमंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 एक ही ढलान के साथ एक logarithmical संबंध पालन के अनुसार nanosheet मोटाई मतलब है । हम परत संख्या और परत संख्या के साथ TMD इकाइयों के आसपास औसत ढांकता हुआ निरंतर में परिवर्तन के साथ बैंड संरचना में परिवर्तन करने के लिए इन बदलावों बताते हैं।

प्रोटोकॉल बहुस्तरीय सामग्री और तरल झरना centrifugation द्वारा उनके आकार के चयन के लिए राज्य के अत्याधुनिक तरल छूटना वर्णन करता है। राज्यमंत्री 2 और थाजलीय surfactant समाधान में 2 मॉडल प्रणाली के रूप में चुना जाता है। हालांकि, यह अन्य बहुस्तरीय सामग्री या विलायक प्रणाली को लागू किया जा सकता है। के रूप में यह काफी अच्छी तरह से परिभाषित आकार तरल पदार्थ में उपलब्ध है के साथ सामग्री की एक विस्तृत रेंज में आता है इस बहुमुखी प्रतिभा, एक महान शक्ति है। इसके अलावा, सांख्यिकीय माइक्रोस्कोपी का उपयोग सटीक पार्श्व आकार और मोटाई दृढ़ संकल्प पर एक विस्तृत विवरण प्रदान की जाती है। हालांकि माइक्रोस्कोपी व्यापक रूप से एक विश्लेषण उपकरण के रूप में प्रयोग किया जाता है, अत्यधिक ध्यान सटीक और विश्वसनीय आंकड़े प्राप्त करने के लिए लिया जाना चाहिए, अपर्याप्त नमूना तैयार (जैसे उच्च एकाग्रता के नमूने जमा के रूप में) और गलत विश्लेषण और इमेजिंग के रूप में नाटकीय रूप से सांख्यिकीय मतलब मूल्यों पूर्वाग्रह कर सकते हैं।

यहाँ तक कि अत्यंत महत्वपूर्ण है, हालांकि, इस सांख्यिकीय माइक्रोस्कोपी तरल exfoliated सुलभ nanomaterials के उच्च गुणवत्ता के नमूने लेने में एक बोतल गर्दन एक ही समय में है। यह सिर्फ इसलिए है क्योंकि प्रक्रिया कठिन और समय लेने वाली है। इस पांडुलिपि में, हम भी इस समस्या को नाकाम करने के लिए एक विकल्प पर चर्चा की। सिद्धांत ऐसे विलुप्त होने स्पेक्ट्रा के रूप में उनके ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा के लिए मात्रात्मक nanosheet आकार और मोटाई संबंधित पर आधारित है। ये आकार के एक समारोह के रूप में काफी और व्यवस्थित ढंग से बदलती हैं। यह दोनों nanosheet पार्श्व आकार और ऑप्टिकल स्पेक्ट्रा से मोटाई पर मात्रात्मक जानकारी निकालने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। ऐसे मैट्रिक्स अत्यंत शक्तिशाली हैं, के रूप में एक बार calibrated, वे मिनट के भीतर nanosheet आकार और मोटाई में जानकारी प्रदान करते हैं। इस का लाभ कम से कम दो गुना है। एक तरफ, वे सुधार और यहाँ लागू लोगों की तुलना में अन्य तकनीकों के द्वारा दोनों छूटना और आकार चयन को समझने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। दूसरी ओर, वे अद्वितीय ज्ञात आकार के साथ नमूनों का उत्पादन और दोनों मौलिक अध्ययन और अनुप्रयोगों के लिए आकार प्रभाव के अध्ययन के लिए सक्षम करने के लिए आसानी मोटाई करने का अवसर प्रदान करते हैं। इसके अलावा, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि राज्य मंत्री 2 और डब्ल्यू एस 2 के बीच समानतामेट्रिक्स अत्यधिक प्रोत्साहित कर रहे हैं और बताते हैं कि - हाथ में इस प्रोटोकॉल के साथ - इसी तरह मेट्रिक्स अन्य बहुस्तरीय सामग्री के लिए स्थापित किया जा सकता है।

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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

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