Получение жидкостным слущенных переходных металлов дихалькогенидных нанолистов с контролируемыми размера и толщины: Государство Протокола Арт

Возможность производить и перерабатывать графен, связанных двумерных кристаллов (2D) в жидкой фазе, делает их перспективными материалами для постоянно растущего диапазона применений как композиционных материалов, датчиков, при хранении и преобразования энергии и гибкие (опто) электроники. ^1-6 Для использования 2D наноматериалы в приложениях , таких как они потребуют недорогие и надежные функциональные чернила с по требованию бокового размера и толщины наноразмерных составляющих, а также контролируемых реологических и морфологических свойств , поддающихся промышленных масштабах процессов печати / нанесения покрытий. ⁷ В связи с этим, жидкая фаза отшелушивание стала важной техникой производства , дающие доступ к целому ряду наноструктур в больших количествах. ^6,8,9 Этот метод включает в себя ультразвуковую обработку или срезание слоистых кристаллов в жидкостях. Если жидкость соответствующим образом выбрана (например, подходящие растворители или поверхностно -активное вещество) в нанолисты будет stabilized против реагрегация. Многочисленные приложения и проверка и подтверждение принципа действия устройства были продемонстрированы такими методами. ⁶ Вероятно , самая большая сила этой стратегии является ее универсальность, поскольку многочисленные слоистые родительские кристаллы могут быть отслаивается и обработаны подобным образом, обеспечивая доступ к широкому спектру палитры материалов , которые могут быть адаптированы к нужному приложению.

Однако, несмотря на это недавний прогресс, полученный в результате полидисперсности, который возникает из-за этих методов производства жидкой фазы (с точки зрения длины и толщины nanosheet) по-прежнему представляет собой узкое место в реализации устройств с высоким производительности. Это происходит главным образом потому, что разработка новых и инновационных методов выбора размера до сих пор требуется длина нанолистов и толщину характеристику с помощью утомительных статистической микроскопии (атомно-силовой микроскопии, AFM и / или просвечивающей электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии).

Несмотря на эти проблемы, Seveметоды центрифугирования по шкале RAL Сообщалось, что достичь длины и толщины сортировки. ^6,10-13 Самый простой сценарий является однородным центрифугирование, где дисперсия центрифугируют при заданном центробежного ускорения , а надосадочную жидкость декантируют для анализа. Скорость центрифугирования устанавливает размер светотеневой, в результате чего выше скорость, тем меньше являются нанолисты в надосадочной жидкости. Тем не менее, этот метод страдает от двух основных недостатков; во – первых, когда более крупные нанолисты должны быть выбраны (т.е. дисперсию центрифугируют при низких скоростях и надосадочную жидкость сливают) все меньшие нанолисты также останутся в образце. Во-вторых, независимо от скорости центрифугирование, значительная часть материала, как правило, теряется в осадке.

Альтернативная стратегия выбора размера является градиент плотности (или изопикническим) центрифугирование. ^11,14 В этом случае дисперсия вводится в центрифужные пробирки соntaining градиенте плотности среды. Во время ультрацентрифугирования (обычно> 200 000 XG), градиент плотности формируется и нанолисты переместится в точку в центрифугу, где их плавучую плотность (плотность в том числе стабилизатора и оболочки растворителя) соответствует плотности градиента. Обратите внимание, что наноматериал может также перемещаться вверх в течение этого процесса (в зависимости от того, где он был введен). Таким образом, нанолисты эффективно сортируются по толщине, а не массы (в отличие от однородного центрифугирования). Хотя эта процедура дает уникальную возможность сортировать нанолисты по толщине, он страдает от заметных недостатков. Например, выходы очень низки, и в настоящее время не позволяют массовое производство разделенных нанолистов. Отчасти это связано с низким содержанием монослоев в складе дисперсий после жидкого пилинга и потенциально могут быть улучшены за счет оптимизации процедур пилинг в будущем. Кроме того, она, как правило, отнимает много времени многоэтапнымПроцесс ультрацентрифугирования с участием нескольких итераций для достижения эффективного выбора размера. Кроме того, в случае неорганических наноматериалов, она ограничена полимерным стабилизированный дисперсий для получения требуемых плавучие плотности и градиентной среды в дисперсии может помешать дальнейшей обработки.

Недавно мы показали , что процедура мы называем жидкий каскадного центрифугирования (LCC) предлагает захватывающую альтернативу, ¹³ , как мы будем также подробно в этой рукописи. Это процедура многоступенчатая, которая чрезвычайно универсальны позволяет различные каскады быть разработаны в соответствии с желаемым результатом. Чтобы продемонстрировать этот процесс, стандартный каскад изображен на рисунке 1 и включает в себя несколько этапов центрифугирования при этом каждом номере имеется более высокую скорость , чем в прошлом. После каждого шага осадок сохраняется и супернатант затем используется в следующем этапе. В результате, каждый осадок содержит нанолисты в заданномдиапазон размеров, которые были "в ловушке" между двумя центрифугировани с разными скоростями; нижний удаление больших нанолисты в предыдущем осадка в то время как более высокая скорость удаляет мелкие нанолисты в супернатант. Решающее значение для LCC, полученный в результате осадок может быть вновь диспергированы полностью мягким ультразвуком в соответствующей среде, которая в данном случае представляет собой водный раствор натрия холат H ₂ O-SC (при концентрациях SC снижается до 0,1 г L – ^1). В результате дисперсии с практически любой выбранной концентрации. Важно отметить, что практически не материала теряется в LCC, в результате чего в сборе относительно больших масс размера отобранных нанолистов. Как показано здесь, мы применили эту процедуру к ряду жидкостных отслоилась нанолистов включая MoS ₂ и WS _2, а также газ, ¹⁵ черный фосфор ¹⁶ и графена ¹⁷ в обоих растворителей и поверхностно -активных систем.

Этот уникальный центрифугирование procedurе позволяет эффективно размерного выбор жидких отслоилась нанолистов и впоследствии позволило значительный прогресс с точки зрения их размера и толщины определения. В частности, с помощью этого подхода мы показали ранее, что оптическая вымирание (и поглощение) спектры нанолистов изменить систематически, как функции обоих нанолистов поперечные размеры и толщину нанолистов. Как мы здесь кратко, это позволило нам связать nanosheet спектральный профиль (в частности, отношение интенсивностей в двух положениях спектра экстинкции) к средней длине nanosheet в результате nanosheet краевых эффектов. ^12,13 Важно отметить, что то же самое уравнение может быть использовано для количественного определения размера MoS ₂ и WS _2. Кроме того, мы покажем, что А-экситон позиция смещается в сторону меньших длин волн в зависимости от средней толщины nanosheet из-за удержания эффектов. Несмотря на то, отслоение, а также выбора размера и определение в общем случае довольно грабежаПроцедуры ЕСН, количественный результат зависит от тонкостей в протоколе. Тем не менее, особенно для новичков в этой области, трудно судить, какие параметры процесса имеют самое непосредственное отношение. Это сводится к тому, что экспериментальные участки научно-исследовательских работ только обеспечить грубый протокол, без обсуждения того, что исход можно ожидать при изменении процедуры или давая рациональное позади протокола. В этом вкладе, мы намерены решить эту проблему, а также предоставить подробное руководство и обсуждение до производства жидко-отслоилась нанолистов контролируемого размера и для точного определения размера либо статистической микроскопии и анализа спектров экстинкции. Мы убеждены в том, что это поможет улучшить воспроизводимость и надеемся, что это будет полезным руководством для других экспериментаторов в этой области исследований.

FIGURe 1: Схема выбора размера жидким каскадного центрифугирования. Размер выбранных нанолисты собираются в виде осадков. Каждый осадок собирают или « в ловушке» между двумя скоростями центрифугирования (со) , начиная с низких скоростей и идущих на более высокие от шага к шагу. Осадок отбрасывают после первого центрифугирования содержит unexfoliated слоистые кристаллиты в то время как супернатант отбрасывали после последней стадии центрифугирования содержит чрезвычайно малые нанолисты. Размер выбранной дисперсии получают путем повторного диспергирования собранных отложений в той же среде (в данном случае водный раствор поверхностно-активного вещества) при пониженных объемах. Адаптировано с разрешения ^13. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.