Herstellung von Flüssig-abgeblättert Transition Metalldichalkogenid -Nanoschichten mit kontrollierter Größe und Stärke: A State of the Art-Protokoll

Die Möglichkeit, zu produzieren und verarbeiten Graphen, im Zusammenhang mit zweidimensionalen (2D) Kristalle in der flüssigen Phase macht sie zu vielversprechenden Materialien für eine stetig wachsende Palette von Anwendungen als Verbundwerkstoffe, Sensoren, Energiespeicherung und -umwandlung und flexibel (Opto-) Elektronik. ^1-6 Um 2D – Nanomaterialien in Anwendungen wie diese erfordern kostengünstige und zuverlässige Funktionsfarben mit On-Demand – laterale Größe und Dicke der nanoskaligen Bestandteile sowie kontrollierten rheologischen und morphologischen Eigenschaften zugänglich im industriellen Maßstab Druck- / Beschichtungsprozesse zu nutzen. ⁷ In diesem Zusammenhang hat flüssige Phase Peeling eine wichtige Produktionstechnik , die Zugang zu einer ganzen Reihe von Nanostrukturen in großen Mengen werden. ^6,8,9 Dieses Verfahren beinhaltet die Beschallung oder Scher von Schichtkristallen in Flüssigkeiten. Wenn die Flüssigkeit in geeigneter Weise ausgewählt wird (dh geeignete Lösungsmittel oder Tensid) werden die Nanoschichten sein stabilized gegen reaggregation. Zahlreiche Anwendungen und proof-of-principle Vorrichtungen wurden durch solche Techniken demonstriert. Wahrscheinlich ist ⁶ die größte Stärke dieser Strategie seine Vielseitigkeit, wie zahlreiche geschichtete Mutterkristalle abgeblättert und in ähnlicher Weise verarbeitet werden kann, Zugang zu einer breiten Palette von Materialien bereitzustellen , die auf die gewünschte Anwendung zugeschnitten werden kann.

Doch trotz dieser jüngsten Fortschritte, die resultierende Polydispersität, die aufgrund dieser Flüssigphasen-Herstellungsverfahren (in Bezug auf Nanoschichtlänge und Dicke) entsteht, stellt noch immer einen Engpass bei der Realisierung von Hochleistungsgeräten. Dies ist vor allem, weil die Entwicklung neuer und innovativer Größe Selektionstechniken hat bisher -Nanoschichten Länge und Dicke Charakterisierung mit langwierigen statistischen Mikroskopie (Atomic Force Micros, AFM und / oder Transmissionselektronenmikroskopie, TEM) erforderlich.

Trotz dieser Herausforderungen several Zentrifugationstechniken wurden Längen- und Dickensortierung zu erreichen berichtet. ^6,10-13 Die einfachste Szenario ist homogen Zentrifugation, wobei die Dispersion bei einer gegebenen Zentrifugalbeschleunigung zentrifugiert und der Überstand zur Analyse dekantiert. Die Zentrifugationsgeschwindigkeit setzt die Größe abgeschnittene, wobei je höher die Geschwindigkeit ist, desto kleiner sind die Nanoschichten im Überstand. Jedoch leidet diese Technik, die aus zwei Hauptnachteile auf; Erstens , wenn größere Nanoschichten ausgewählt werden sollen ( das heißt, wird die Dispersion bei niedrigen Drehzahlen und der Überstand zentrifugiert , dekantiert) alle kleineren Nanoschichten werden auch in der Probe verbleiben. Zweitens, unabhängig von der Zentrifugiergeschwindigkeit, ein erheblicher Teil des Materials dazu neigt, in dem Sediment verschwendet werden.

Eine alternative Strategie für die Größenauswahl ist Dichtegradienten (oder isopycnic) Zentrifugation. In diesem Fall ^11,14 wird die Dispersion in ein Zentrifugenröhrchen injiziert containing ein Dichtegradienten-Medium. Während Ultrazentrifugation (typischerweise> 200.000 xg) wird ein Dichtegradient gebildet, und die Nanoschichten in der Zentrifuge bis zu dem Punkt zu bewegen, wo ihre Auftriebsdichte (Dichte einschließlich der Stabilisator und Lösungsmittel Shell), die Dichte des Gradienten entspricht. Beachten Sie, dass das Nanomaterial auch nach oben während dieses Prozesses bewegen kann (je nachdem, wo es injiziert wurde). In einer solchen Weise werden die Nanoschichten effektiv durch Dicke sortiert anstatt Masse (im Gegensatz zu homogenen Zentrifugation). Während dieses Verfahren eine einzigartige Gelegenheit bietet -Nanoschichten von Dicke zu sortieren, leidet es an bemerkenswerte Nachteile. Zum Beispiel sind die Ausbeuten sehr niedrig und derzeit nicht für die Massenproduktion von getrennten -Nanoschichten ermöglichen. Dies ist zum Teil auf niedrige Gehalte an Monolayern in Stammdispersionen nach Flüssig-Peeling und möglicherweise durch die Optimierung Peeling Verfahren in Zukunft verbessert werden kann. Darüber hinaus ist es in der Regel ein zeitraubender mehrstufigerUltrazentrifugation Prozess mehrere Iterationen mit effizienten Größenauswahl zu erreichen. Ferner wird in dem Fall von anorganischen Nanomaterialien, wird es auf polymerstabilisierten Dispersionen beschränkt die erforderlichen Auftriebsdichten und der Gradient Mediums in der Dispersion zu erhalten, kann bei der Weiterverarbeitung stören.

Wir haben kürzlich gezeigt , dass ein Verfahren , das wir Begriff flüssige Kaskade Zentrifugation (LCC) bietet eine spannende Alternative, ¹³ , wie wir wollen auch ausführlich in diesem Manuskript. Dies ist ein mehrstufiges Verfahren, das extrem vielseitig verschiedenen Kaskaden ermöglicht zu dem gewünschten Ergebnis entsprechend gestaltet werden. Um diesen Prozess zu demonstrieren, wurde eine Standard – Kaskade ist in Abbildung 1 dargestellt und umfasst mehrere Zentrifugationsschritte wobei jeder verfügt über eine höhere Geschwindigkeit als die letzte. Nach jedem Schritt wird das Sediment zurückgehalten und der Überstand wird dann in Verfahrensstufe verwendet wird. Als Ergebnis enthält jeder Sediment -Nanoschichten in einem gegebenenGrößenbereich, die "gefangen" zwischen zwei Zentrifugationen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wurden; Entfernen der unteren größeren -Nanoschichten in den vorherigen Sediment, während die höhere Geschwindigkeit der kleineren -Nanoschichten in den Überstand entfernt. Kritisch für LCC kann das resultierende Sediment durch milde Beschallung in dem jeweiligen Medium redispergiert vollständig, was in diesem Fall wässrigen Natrium – Cholat H ₂ O-SC (SC bei Konzentrationen so niedrig wie 0,1 g L ^-1). Das Ergebnis ist, Dispersionen mit praktisch beliebiger Konzentration. Wichtig ist, praktisch kein Material in LCC verschwendet, in der Sammlung von relativ großen Massen von größenselektierten Nanoschichten führt. Wie hier gezeigt, haben wir dieses Verfahren auf eine Reihe von flüssigkeits abgeblätterten Nanoschichten einschließlich MoS ₂ und WS ₂ sowie GaS, ¹⁵ schwarz ¹⁶ und Graphen ¹⁷ in sowohl Lösungsmittel und Tensidsysteme Phosphor aufgetragen.

Diese einzigartige Zentrifugation procedure ermöglicht die effiziente Größe Wahl der Flüssigkeit -Nanoschichten abgeblättert und aktiviert anschließend einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf ihre Größe und Dickenbestimmung. Insbesondere durch diesen Ansatz haben wir gezeigt, dass zuvor optische Extinktion (und Absorption) Spektren der -Nanoschichten systematisch als Funktion beider -Nanoschichten lateralen Abmessungen und -Nanoschichten Dicke ändern. Da wir hier zusammenfassen, hat dies erlaubt uns die Nanoschicht Spektralprofil (insbesondere das Intensitätsverhältnis bei zwei Positionen des Extinktionsspektrum) zur mittleren Nanoschichtlänge als Ergebnis der Nanoschichtrandeffekte zu verbinden. ^12,13 Wichtig ist , kann dieselbe Gleichung verwendet werden , um die Größe von MoS ₂ und WS ₂ zu quantifizieren. Darüber hinaus zeigen wir, dass die A-Exziton Position als Funktion der mittleren Nanoschichtdicke zu niedrigeren Wellenlängen verschiebt aufgrund Confinement-Effekte. Auch wenn Peeling, sowie Größe Auswahl und Bestimmung sind in der Regel eher robust Verfahren hängt das quantitative Ergebnis auf Feinheiten im Protokoll. Doch vor allem für Neulinge auf dem Gebiet ist es schwierig, die Prozessparameter sind am besten zu beurteilen. Das kommt auf die Tatsache, dass experimentelle Abschnitte von Forschungsarbeiten nur eine grobe Protokoll zur Verfügung stellen, ohne zu diskutieren, was Ergebnis ist zu erwarten, wenn das Verfahren zu ändern oder eine rationale hinter dem Protokoll zu geben. In diesem Beitrag wollen wir dies auch bereitstellt, auf die Herstellung von flüssig abgeblättert -Nanoschichten kontrollierter Größe und auf die genaue Bestimmung der Größe eine detaillierte Anleitung und Diskussion zu adressieren, indem entweder statistische Mikroskopie oder Analyse der Extinktionsspektren. Wir sind davon überzeugt, dass dies die Reproduzierbarkeit zu verbessern helfen und hoffen, dass es ein nützlicher Leitfaden für andere Experimentatoren in diesem Forschungsbereich sein.

Figure 1: Schematische Darstellung der Größenauswahl durch flüssige Kaskade Zentrifugation. Größenselektierten -Nanoschichten werden als Sedimente gesammelt. Jedes Sediment wird gesammelt oder "gefangen" zwischen zwei Zentrifugiergeschwindigkeiten (ω) aus niedrigen Drehzahlen beginnen und zu höheren diejenigen von Schritt geht zu Schritt. Das Sediment verworfen nach der ersten Zentrifugation enthält nicht-expandierten Schicht Kristallite, während der Überstand nach dem letzten Zentrifugationsschritt verworfen extrem kleine -Nanoschichten enthält. Größenselektierten Dispersionen werden durch erneutes Dispergieren der gesammelten Ablagerungen in dem gleichen Medium (hier wässrigen Tensidlösung) bei reduziertem Volumen hergestellt. Adaptiert mit Erlaubnis von ^13. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.