Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Подготовка и характеристика C60/Graphene гибридные наноструктур

Published: May 15, 2018 doi: 10.3791/57257

Summary

Здесь мы представляем протокол для изготовления C60/graphene гибридные наноструктур, физической термическое испарение. В частности надлежащего манипуляции осаждения и отжига условий позволяют контролировать создание 1D и 1 d квази C60 структур на рифленая графена.

Abstract

Физические тепловой осаждения в условиях высокого вакуума является чистым и управляемый метод для изготовления новых молекулярных наноструктур на графена. Мы представляем методы для пополнения и пассивно манипулируя C60 молекул на рифленая графена, которые заранее стремление к реализации приложений, связанных с 1 D C60/graphene гибридные структуры. Методы, применяемые в данной экспозиции зацеплены к высоким вакуумные системы с подготовки областях поддерживает молекулярной осаждения, а также термический отжиг образцов. Мы сосредоточены на C60 осаждения при низком давлении, с помощью домашнего Кнудсен ячейки подключен к сканирующий туннельный микроскопии (STM) системы. Количество молекул на хранение регулируется, контролируя температуру Кнудсен клеток и времени осаждения. Одномерный (1D) C60 цепь структур с шириной двух-трех молекул может быть подготовлен через тюнинг от экспериментальных условий. Поверхностная подвижность молекул60 C увеличивается с отжига температура, позволяя им переехать в рамках периодических потенциал рифленая графена. Используя этот механизм, он позволяет управлять экономикой 1 D C60 цепи структуры к структуре полосой гексагональной близко Упакованные квази - 1 D.

Introduction

Этот протокол объясняет, как депозит и манипулировать C60 молекул на графена, таким образом, что могут быть реализованы 1 D и квази - 1 D C60 цепь структур. Методы в этом эксперименте были разработаны для устранения необходимости направлять адсорбатов желательно конфигурации без необходимости полагаться на ручной манипуляции, которая медленно и может потребовать больших усилий. Описанные здесь процедуры полагаются на использование высокой вакуумной системой с зоной подготовки образца, поддерживающие молекулярной осаждения и термический отжиг образцов. STM используется для характеристики образцов, но другие методы молекулярного разрешения могут применяться.

Термическое испарение молекул в ячейке Кнудсен является эффективным и чистым способом подготовить тонких пленок. В этом протоколе Кнудсен ячейка используется для испарения молекул C60 на подложке графена. Этот испаритель Кнудсен клетки в основном состоит из кварца метро, Отопление накаливания, проводов термопар и проходные соединители,12,3. Кварцевая трубка используется для размещения молекулы, нагревает накаливания вольфрама, молекул в кварце трубки через применяется текущий и проводов термопар используются для измерения температуры. В экспериментах скорость осаждения контролируется настройки температуры источника в ячейке Кнудсен. Проводов термопар присоединены к внешней стене кварцевая трубка и поэтому обычно измерения температуры внешней стены, которая немного отличается от температуры внутри клетки, где расположен молекулярных источник. Для получения точной температуры в кварцевая трубка, мы выполняется калибровка с помощью двух термопара установок для измерения температуры внутри и снаружи трубы и записали перепада температур. Таким образом мы можем более точно контролировать температуру источника в ходе экспериментов молекулярных испарения с помощью проводов термопар, прикреплены снаружи кварцевая трубка. Поскольку небольшое количество сублимированный молекул будет в газовой фазе при низком давлении, когда молекулы испаряются, существует, как правило, изменения давления. Таким образом мы тщательно контролировать изменения давления в замке нагрузки.

Этот испаритель может использоваться для хранение различных источников молекулы, например C60,70C, бора subphthalocyanine хлорид, Ga, Al и Hg4,5,6,,78. По сравнению с другими методами подготовки тонкой пленки, например, спина, кастинг9,10,11, термическое испарение в высоком вакууме намного чище и универсальный так как нет никаких растворителей, необходимых для осаждения. Кроме того процесс дегазации до осаждения улучшает чистоту источника, устраняя возможные примеси.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка домашние Кнудсен ячейки

  1. Подготовка компонентов для ячейки Кнудсен
    1. Покупка CF фланцевый основана проходной мощности (2,75" CF, 4 контактов из нержавеющей стали). Просверлите два резьбовых отверстия через проходной, на точки кросс между одной диаметром 1,30" линии и его окружности.
    2. Подготовка стеклянной трубки (0,315" внешнего диаметра (OD), 2.50" длина).
    3. Приобрести тонкие медные листы (99,9%) толщиной 0,005". Вырезать один лист на размеры 7,5" L х 5.0» W используя пару ножниц, а затем скручиваемости его полые columniform щит с диаметром 1.45" вручную (рис. 1a).
    4. Подготовьте термопары типа K (хромель/алюмель) с диаметром 0,005", 3" длина проводов хромель и алюмель резки. Корки в изолятор слои около 0,5" в длину от обоих концах обоих проводов.
    5. Вырежьте 0.01" Вольфрам проволока диаметром (99,95%) длиной примерно 60". Катушка его в фигуру весной с диаметром 0,315", завернув плотно вокруг стержня сопоставимых Диаметр стеклянной трубки.
    6. Купить керамические кусок. Подготовьте один подходящий кубовидной кусок с отверстием в середине, что соответствует размер стекла (5 на рис. 1b).
    7. Вырежьте 2 стандартные стальные резьбовые 0,10" диаметр стержней длиной 7» диапазонов и пиление с токарного станка.
    8. Вырежьте мягкой, 0.01" диаметр медной проволоки длиной приблизительно 30", с помощью ножниц.
    9. Подготовка 4 полые Медь прутки диаметром ОД 0,094" путем разрезания трех стержней к 2" Длина и один стержень длиной 4» с помощью боковой резец.
  2. Соберите эти кусочки в ячейке Кнудсен
    1. Очистите все компоненты, упомянутый в шаге 1.1, с помощью ультразвуковой очистки на 42 кГц в ацетоне в течение 30 мин.
    2. Подключите 2 стандартные стальные стержни резьбовые в просверленные отверстия в CF фланца проходной мощности.
      Примечание: Отверстия, резьбовые (7 рис. 1b).
    3. Смонтируйте нижней половине 4 полые Медь прутки в верхней части 4 контактов питания проходной фланцевый CF, вставив ПИН в полые Медные прутки и их устранение, бокорезы (6 в рисунок 1b).
    4. Смонтируйте керамические кусок на позиции 2,5" высокой из нижней части резьбовые стержни с мягкой медной проволоки.
      Примечание: Эта часть будет поддерживать стеклотрубки на следующем шаге (5 на рис. 1b).
    5. Слайд стеклотрубки в весну свернувшись вольфрама. Сожмите в нижней части стеклянной трубки в отверстие керамические произведения. Использование мягкой медной проволоки провести верхней части стеклянной трубки в верхнем конце стержни резьбовые (3 и 4 на рис. 1b).
    6. Захват верхний конец весны в больше медной катанки, определенные как сцепление, а нижний конец весны в одной из коротких Медные прутки, определяется как B (A и B в рисунок 1b).
    7. Твист один очищенные конец хромель и алюмель провода вместе (2 на рис. 1b).
    8. Расположите витой совместных конец таким образом, чтобы он тесно трогает за пределами нижней части стеклянной трубки. Обездвижить его с помощью керамических кусок.
    9. Сцепление, очищенные другой конец хромель проволоки в один из левой 2 короче Медные стержни, определяется как C. Grip очищенные другой конец алюмель провода в левой короче медной катанки, определяется как D ( рис. 1bC и D ).
    10. Положите свернувшись медь полые columniform щит на проходной фланцевый CF мощность, (Рисунок 1a).

2. Подготовьте источник60 C в ячейке домашнее Кнудсен

  1. Загрузите источник60 C домашнее Кнудсен ячейку.
    1. Загрузите около 50 мг порошка60 C (99,5% чистоты) в стеклянную трубку домашнее Кнудсен ячейки.
      Примечание: Точность за 1 мг массы порошка является ненужным.
    2. Смонтируйте Кнудсен ячейки обратно на одной ветви нагрузки замка.
  2. Насос Блокировка нагрузки.
    1. Включите насос для блокировки загрузки. Сначала включите клапан для воды для охлаждения насос турбо, а затем включите вентилятор для охлаждения механический насос. Затем включите механический насос и наконец включите насос турбо.
    2. Проверьте давление в замке нагрузки и ждать около 10 ч.
      Примечание: Давление на выходе насоса turbo должно быть 6.0 x 10-2 мбар.
    3. Включите в Ион Датчик монтируется в замке нагрузки на более низком давлении (как правило, ниже 10-6 мбар).
    4. Проверка давления в замке нагрузки: давление должно быть в диапазоне от 10-8 мбар после 10 h накачки.
  3. Отжиг источник60 C домашнее Кнудсен ячейку.
    1. Отжиг C60 источник в домашние Кнудсен клеток постепенно (1,5 ° C/мин) при 250 ° C на 2 ч для дегазации, подключив блок питания на два контакты питания проходной фланцевый CF, которые связаны с завернутыми вольфрама весной.
    2. Повышение температуры отжига до 300 ° C, которая находится выше температуры осаждения (270 ° C).
    3. Отжиг при 300 ° C в течение 0,5 ч для дальнейшего дегазации.
    4. Снижение температуры до 270 ° C для осаждения.

3. Подготовьте атомарным образом чистый графена в зале свв

  1. Передать графен (на медной фольги) от образца хранения Карусель отжига пластины в камере ультра-высокого вакуума Подготовка системы STM (особое место для подготовки и отжига образца под ультра-высокого вакуума).
  2. Отжиг графена субстрата на базовый давление низких 10-10 мбар в зале подготовки, постепенно увеличивая температуру до 400 ° C.
  3. Подождите 12 h удалить остаточные примеси на поверхности графена.
  4. Снижение температуры отжига для графена субстрата постепенно до комнатной температуры.

4. депозит C 60 на подложке графена с помощью домашнего Кнудсен ячейки в замок нагрузки

  1. Передача графена субстрат для блокировки загрузки.
    1. Организовать пластины в камере подготовки в передающей позиции. Передачи атомарным образом чистый графена для блокировки загрузки для осаждения C60, после того атомарным образом чистый графена и C60 источник готов.
    2. Откройте клапан между Блокировка нагрузки и подготовка камеры.
    3. Передать графена субстрата от пластины в камере подготовки нагрузки замок с выкладкой инструмент.
    4. Положить лицом субстрата графена вниз (C60 приходит из источника ниже).
  2. Депозит С60 на подложку графена.
    Примечание: C60 молекул передачи от домашнего ячейки Кнудсен графена субстрата при 270 ° C.
    1. Подождите 1 мин с скорость осаждения 0.9 монослоя/мин.
    2. Передача образцов /graphene60C обратно в зале подготовки.

5. Подготовьте /Graphene 60 C образца измеряется в камере главного STM

  1. Отжиг образец /graphene60C до 150 ° C со скоростью 3,1 ° C/мин 2 h в ультра-высокого вакуума Подготовка камеры.
  2. Проверка образца /graphene60C с STM в основной камере STM.
  3. Отжиг в образце /graphene60C до 210 ° C со скоростью 3,1 ° C/мин 2 h.
  4. Проверка образца /graphene60C с STM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

После испарения графена с недавно на хранение C60 является отжигом при 150 ° C на 2 ч. Крупномасштабные STM изображение на рисунке 2a показывает структуру цепи60 характерным квази - 1 D C, после этого первоначального процесса отжига. Ближе инспекции в рисунке 2b показывает подробную информацию о этой структуры 1 D, в котором каждый яркий сферический выступ представляет один из одной молекулы60 C. Как правило 1D цепи возникают как bimolecular и trimolecular C60 цепи с среднем C60- C60 расстояние 1.00 Нм ± 0,01, указав, что молекулы60 C организовать в гексагональной близко Упакованные манере. Линии профиля в рисунке 2 c соответствует Пунктирная зеленая линия на рисунке 2b показывает четкое разделение между цепями60 C, где второй и третьей вершины в профиле являются ближайшего соседа молекул на прилегающих цепи. Согласно наблюдениям цепи существует исключительно как bimolecular или trimolecular строк с bimolecular цепи, происходящие дважды как част как trimolecular цепи. Как отмечалось в СТМ изображений с высоким разрешением, цепи хорошо расположены в 3-2-2 или 2-3-2 манере. Могут возникнуть некоторые соединения в пределах одной цепи где trimolecular сегмент можно перейти к bimolecular договоренности, или наоборот.

Рост квази - 1D C60 цепи индуцируется под графена субстрата. Изображения с высоким разрешением STM атомарным образом чистый графена субстрата (рис. 1 c) показывает структуру рифленая. Это четко линейной периодических модуляции вызывает C60 молекул образовывать квази - 1 D. Образец впоследствии отжигом при 210 ° C 2 h с целью расследования тепловых воздействий на /graphene 1 D C60наноструктур. Отжиг при более высокой температуре увеличивает подвижность поверхности молекул C60 , позволяя им самостоятельно собрать в более компактный, гексагональной близко Упакованные квази - 1 D полосой структуры, как показано на рисунке 3a. Эти структуры ориентировать вдоль же направлении, что цепи60 C и наблюдаются с шириной, изменяющиеся между 3 и 8 молекул за полосе, как показано на рисунке 3b. Наиболее распространенными полосы имеют ширину 6 C60 строк, происходя 45% времени, в то время как полосы 5-строк являются второй наиболее вероятной структуры полосой. В этой структуре нет места разделения соседних полос. Очевидное различие от нежно отожженная C60 цепи структура является, что полосы не образуются на одной плоской террасе, но на шахматном узких террасах, показано, как края почти прямые и параллельные шаг (Рисунок 3b, c). Две строки на границе каждого края шаг, один на верхней террасе и один на нижней террасе, предположим плотнее договоренности относительно друг друга, имея только боковые междурядий 0,75 ± 0,01 Нм. Эта мера предположительно вмещает основные террасы, которые образуются после выше температуры отжига. На террасе плоскостях молекулы60 C по-прежнему поддерживать шаблон закрыть Упакованные с же характеристика межмолекулярных интервал C60- C60. C60 строк на краю шаг на верхней террасе, как представляется, около 0.5 Е выше, чем в других строках C60 на же террасе; Это, вероятно, из-за различных местных электронных сред, как показано на рисунке 3b, c. Аналогично предыдущей структуры цепи, есть развязок для соседних полос. Чтобы сравнить эти две различные структуры более систематически, мы используем 3D модели проиллюстрировать их. На рисунке 4a c является верхней и боковой вид схематическая модель для цепи60 C, соответственно, с C60 молекул (темно зеленые сферы) и сотовидная структура графена субстрата (маленькие голубые шары). Здесь единица структуре цепи определяется bimolecular клеток (цепи плюс один interchain интервал) плюс рядом trimolecular клеток. 3D модель четко показывает размер одной единицы как 5.08 Нм ± 0,02. Интервал больше разрыв (1.23 Нм) между соседними цепи обозначена в рисунке 4a, c. Рисунок 4b,d показывает 3D схематическая модель структуры 6-рядных полосой. Узкий междурядий между двух соседних C60 полосы составляет 0,75 Нм, помечены в Рисунок 4b, который меньше, чем типичный гексагональной близко Упакованные структуры. Эти типичные полосы 6-строк имеют боковые периодичности 5.08 Нм ± 0,02, почти точно равна боковое расстояние между размер блока в цепи структура12.

Figure 1
Рисунок 1 . Домашнее Кнудсен клеток и атомарным образом решена STM образ графена субстрата. () домашнее Кнудсен ячейка с медной оболочки. (b) Подробная структура домашнего Кнудсен ячейку, показаны основные компоненты внутри медной оболочки. 1 — CF фланца, 2 является термопара проволоки, 3 является W Отопление накаливания, 4 является стеклянная трубка, 5 керамические кусок, 6 является полой Медь прутки (A, B, C, D), 7 поддерживает стержней, 8 является проходной. (c) атомарным образом решена STM топографические изображения поверхности чистой графена12. Рисунок 1 c был изменен с12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 . СТМ изображений C60 цепи после отжига при 150 ° C. () C60 образует хорошо упорядоченных цепочек 1 D на графена в масштабах, которые намного больше, чем отдельные цепи (Vs = 2.255 V, I = 0,300 nA). (b) резолюции молекулярной STM изображение C60 наноструктур показаны возникновение только bimolecular или trimolecular цепей. Межмолекулярных расстояние в пределах цепи – 1.0 Нм, а расстояние между центрами соседних строк C60 , принадлежащих к соседних цепей-1,23 Нм, которая намного больше, чем междурядья 0,87 Нм в близко Упакованные C60 Структура (I = 0,500 nA, Vs = 1.950 V). (c) линии профиля, показывая межмолекулярных расстояние и разрыв между соседними цепи вдоль пунктирной зеленой линии (b)12. Этот рисунок был изменен с12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 . Собственн-собранные квази гексагональной близко Упакованные 1 D C60 полосой структуры на графена после повышения температуры отжига до 210 ° C. () STM изображением квази гексагональной близко Упакованные C60 1 D полосы, ориентированный вдоль одной оси (I = 0.200 nA, Vs = 2.200 V). (b) STM с высоким разрешением изображения C60 1 D полос (I = 0.200 nA, Vs = 2.400 V). (c) A линия профиля показаны гексагональной закрывать Упакованные C60 1 D полосы на двух террасах вдоль пунктирной зеленой линии (b)12. Этот рисунок был изменен с12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4 . Схема модели. Схема модели для обеих цепей60 C и изображением графена меньше, основной синий сферах и C60 молекул как темно-зеленые полосы, заполнения пространства сферы. (, c) Верхней и боковой вид цепей, bimolecular и trimolecular60 C на графена. (b, d) Верхней и боковой вид типичный полосы60 C с 6-междурядье12. Этот рисунок был изменен с12. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Методы, описанные в настоящем Протоколе предназначены для тепловой осаждения органических материалов и других материалов, высокое давление паров. Эти методы могут быть интегрированы с ультра-высокой вакуумных систем, которые имеют образца подготовка области способны поддерживать молекулярных испарения, а также термический отжиг. Цель для этого конкретного эксперимента заключается в депозит C60 молекулы графена субстрата и исследование самосборки и C60 тепловой эффект.

Преимущество метода является, что она обеспечивает супер чистый образец по сравнению с другими методами подготовки тонкой пленки, как спина покрытия. По сравнению с более сложных технологий, таких как химического осаждения паров (CVD), этот физический термическое испарение намного проще реализовать и пригодный для стабильной атомов и молекул осаждения. Резолюция атомной и молекулярной визуализации обязаны соблюдать C60/graphene гибридные наноструктур. В этой экспозиции используется STM. Очень важно поддерживать чистоту субстрата и C60 источник всей осаждения, дегазации и отжига впереди времени и поддержание высокого вакуума на протяжении всего процесса. Надлежащего отжига после осаждения имеет решающее значение для получения квази - 1 D и 1 D наноструктур, как этот метод использует переменный характер C60 поверхности мобильности при различных температурных условиях.

STM измерений показывает, что образец /graphene60C, синтезируются методом физического осаждения тепловой атомарным образом чистой. Пространство в замок нагрузки предназначена для быть очень ограничены для достижения ультра-высокого вакуума в течение довольно короткого времени. Осаждения молекула должна быть завершена в таком маленьком пространстве, что домашнее Кнудсен ячейка становится необходимым. Домашнее Кнудсен клеток испаритель монтируется в камере блокировки загрузки и может быть запеченная отдельно, который также является полезным для изменения молекулы или заправка испарителя12. Самая высокая температура осаждения для домашнего ячейки Кнудсен — 450 ° C, как определяется проходной фланцевый мощность CF. Это важно для Дега C60 источник в домашние Кнудсен ячейке на 300 ° C, чтобы гарантировать чистоту C60 при 270 ° c. Также очень важно для отжига графена субстрата перед осаждения молекул, так что это в своей чистейшей состояние в начале осаждения. Двойная система может также достигнуто путем добавления один больше домашние Кнудсен клеток испарителя на противоположной стороне первого.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

У нас есть ничего не разглашать.

Acknowledgments

Эта работа поддерживается управление исследований армии США под Грант W911NF-15-1-0414.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CF Flanged power feedthrough Kurt J. Lesker EFT0042033
Copper sheets Alfa Aesar 7440-50-8
Thermocouple chromel/alumel wires Omega Engineering ST032034/ST080042
Tungsten wires Alfa Aesar 7440-33-7
Stainless steel rods McMaster-Carr 95412A868
Copper wires McMaster-Carr 8873K28
Hollow copper rods McMaster-Carr 7190K52
C60 MER Corporation MR6LP

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gutzler, R., Heckl, W. M., Lackinger, M. Combination of a Knudsen effusion cell with a quartz crystal microbalance: In situ measurement of molecular evaporation rates with a fully functional deposition source. Review of Scientific Instruments. 81, 015108 (2010).
  2. de Barros, A. L. F., et al. A simple experimental arrangement for measuring the vapour pressures and sublimation enthalpies by the Knudsen effusion method: Application to DNA and RNA bases. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment. 560, (2006).
  3. Shukla, A. K., et al. Versatile UHV compatible Knudsen type effusion cell. Review of Scientific Instruments. 75, 4467 (2004).
  4. Cho, J., et al. Structural and Electronic Decoupling of C60 from Epitaxial Graphene on SiC. Nano Letters. 12, 3018 (2012).
  5. Jung, M., et al. Atomically resolved orientational ordering of C60 molecules on epitaxial graphene on Cu(111). Nanoscale. 6 (111), 11835 (2014).
  6. Li, G., et al. Self-assembly of C60 monolayer on epitaxially grown, nanostructured graphene on Ru(0001) surface. Applied Physics Letters. 100 (0001), 013304 (2012).
  7. Lu, J., et al. Using the Graphene Moire Pattern for the Trapping of C60 and Homoepitaxy of Graphene. Acs Nano. 6, 944 (2012).
  8. Zhou, H. T., et al. Direct imaging of intrinsic molecular orbitals using two-dimensional, epitaxially-grown, nanostructured graphene for study of single molecule and interactions. Applied Physics Letters. 99, 153101 (2011).
  9. Belaish, I., et al. Spin Cast Thin-Films of Fullerenes and Fluorinated Fullerenes - Preparation and Characterization by X-Ray Reflectivity and Surface Diffuse-X-Ray Scattering. Journal of Applied Physics. 71, 5248 (1992).
  10. Bezmel'nitsyn, V. N., Eletskii, A. V., Okun', M. V. Fullerenes in solutions. Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 168, 1195 (1998).
  11. Ma, D. N., Sandoval, S., Muralidharan, K., Raghavan, S. Effect of surface preparation of copper on spin-coating driven self-assembly of fullerene molecules. Microelectronic Engineering. 170, 8 (2017).
  12. Chen, C. H., Zheng, H. S., Mills, A., Heflin, J. R., Tao, C. G. Temperature Evolution of Quasi-one-dimensional C60 Nanostructures on Rippled Graphene. Scientific Reports. 5, 14336 (2015).

Tags

Химия выпуск 135 термическое испарение C60 наноструктуры графена сканирующий туннельный микроскопии высокий вакуум
Подготовка и характеристика C<sub>60</sub>/Graphene гибридные наноструктур
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chen, C., Mills, A., Zheng, H., Li,More

Chen, C., Mills, A., Zheng, H., Li, Y., Tao, C. Preparation and Characterization of C60/Graphene Hybrid Nanostructures. J. Vis. Exp. (135), e57257, doi:10.3791/57257 (2018).

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