Ova stranica koristi kolačiće (cookies) kako bi osigurala bolje korisničko iskustvo.

Više informacija možete pronaći u Izjavi o kolačićima.

Slažem se

Kontrast Disl
A A A
Znanstvene vijesti — 15.09.2020.

Membrana mreže nano-klastera

Naši kolege Davor Čapeta i Marko Kralj, u sklopu međunarodne suradnje, objavili su rad u prestižnom časopisu ACS Nano. U radu je demonstrirana mogućnost formiranja slobodnostojeće nano-mambrane, koja se sastoji od periodične mreže metalnih nano-klastera na grafenu, dodatno učvršćene i zaštićene slojem amorfnog ugljika.

Cluster Superlattice Membranes

Tobias Hartl, Moritz Will, Davor Čapeta, Rajendra Singh, Daniel Scheinecker, Virginia Boix de la Cruz, Sophia Dellmann, Paolo Lacovig, Silvano Lizzit, Boris Senkovskiy, Alexander Grüneis, Marko Kralj, Jan Knudsen, Jani Kotakoski, Thomas Michely, Pantelis Bampoulis

ACS Nano (2020).

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05740

Hibridni materijali koji uključuju atomski tanke dvodiomenzionalne (2D) materijale u kombinaciji s drugim nano-materijalima, omogućuju nove funkcionalnosti koje nose obilježja izuzetnih svojstava 2D materijala (na primjer, mehanička svojstva ili vodljivost grafena) sa funkcionalnim svojstvima nano-materijala. U ovom radu ostvarena je mogućnost pripreme slobodnostojeće 2D membrane koja sadrži periodički uređenu mrežu metalnih klastera (CSLM). Mreža klastera ima dobro definiranu, usku, raspodjelu veličine klastera, koja se može kontrolirati u rasponu od pojedinačnog atoma do nekoliko stotina atoma u klasteru. Moguće primjene CSLM-a uključuju jedno-elektronske tranzistore (SET), formiranje faze i primjenu kao elektrokatalitičke elektrode.

Uobičajeno svojstvo kompozita grafena s nanočesticama (grafenski nanokompoziti), je izostanak kristalnog uređenja i periodičnosti. Izuzetno, moguće je uz top-down litografiju ostvariti periodičko uređenje na vrlo malom prostoru. Za razliku od toga, hibridni materijal ostvaren u ovom radu, obilježen je lateralnom periodičnosti mreže klastera s konstantom rešetke od 2.53 nm, koja se prostire preko makroskopske milimetarske udaljenosti. Ključ formiranja takvog reda leži u svojstvu epitaksijalnog grafena na Ir(111), koji omogućava formiranje uređene mreže različitih metalnih klastera na grafenskoj moiré superrešetki. Taj strukturni efekt nastaje uslijed razlika veličina kristalnih rešetki iridijeve podloge i grafena i nudi mogućnost samoorganizacije nano-čestica na grafenu. Taj sustav vrlo je dobro istražen, ali u uvjetima ultra-visokog vakuuma, gdje su metalni nano-klasteri na grafenu zaštićeni od raznih oksidacijskih procesa. Ključni koraci prema formiranju stabilne, slobodnostojeće membrane s uređenom mrežom klastera su: (a) njihova kemijska i pasivizacija i strukturno učvršćivanje pomoću depozicije zaštitnog sloja amorfnog ugljika i (b) odvajanje grafena s klasterima u zaštitnom sloju od Ir(111) supstrata te prijenos na bilo koju drugu željenu podlogu ili strukturu. Slika 1 ilustrira korake pripreme 2D membrane.

 

Slika 1: a) Koncept formiranja nano-membrane. (i) Kontrolirani rast uređene mreže metalnih klastera na gr/Ir, (ii) učvršćenje rešetke klastera s amorfnim ugljikom (iii) odvajanje (lift-off) od metalne podloge. b) STM topografija mreže klastera sa ~35 atoma po klasteru nakon depozicije  0,4 ML Ir na 300 K. c) Odgovarajuća LEED difrakcijska slika na 72 eV. Difrakcija prvog reda Ir (plava) i Gr (žuta) označeno kružićima. Dodatni maksimumi potpis su moiré rešetke. d) Optička slika uzorka Ir/Gr/Ir(111) nakon taloženja 7 ML ugljika kroz sjenastu masku i grijanja na 850 K. e) STM topografija u područjima gdje nije bilo dodatne depozicije ugljika u kojima je došlo do difuzije metalnih klastera zbog žarenja na 850 K. f) STM topografija na području preko kojeg je deponiran uljik. g) LEED slika koja odgovara (d) snimljena na 72 eV. Veličina svih STM slika je 45 nm × 45 nm.

Slika 1: a) Koncept formiranja nano-membrane. (i) Kontrolirani rast uređene mreže metalnih klastera na gr/Ir, (ii) učvršćenje rešetke klastera s amorfnim ugljikom (iii) odvajanje (lift-off) od metalne podloge. b) STM topografija mreže klastera sa ~35 atoma po klasteru nakon depozicije 0,4 ML Ir na 300 K. c) Odgovarajuća LEED difrakcijska slika na 72 eV. Difrakcija prvog reda Ir (plava) i Gr (žuta) označeno kružićima. Dodatni maksimumi potpis su moiré rešetke. d) Optička slika uzorka Ir/Gr/Ir(111) nakon taloženja 7 ML ugljika kroz sjenastu masku i grijanja na 850 K. e) STM topografija u područjima gdje nije bilo dodatne depozicije ugljika u kojima je došlo do difuzije metalnih klastera zbog žarenja na 850 K. f) STM topografija na području preko kojeg je deponiran uljik. g) LEED slika koja odgovara (d) snimljena na 72 eV. Veličina svih STM slika je 45 nm × 45 nm.

U postupku uspješnog odvajanja od podloge, pokazalo se da je prije elektrokemijske delaminacije potrebno provesti dva koraka, koji s jedne strane uključuju zagrijavanje materijala na 850 K te s druge strane interkalaciju Eu također pri povišenoj temperaturi, ali od 750 K. Fotoelektronska spektroskopija dubokih nivoa (XPS), pokazuje da zagrijavanje na 850 K vodi na reorganizaciju kemijskih veza u materijalu. Naime, depozicija klastera i amorfnog ugljika na grafen, vodi na jačanje kemijske vezanosti grafena s iridijiem uslijed rehibridizacije grafenovih orbitala sp2 u sp3. Korak zagrijavanja vodi na preusmjeravanje veza prema amorfnom ugljiku i slabljenju vezanosti grafena i iridija. Dodatno, interkalacija Eu vodi na dodatno smanjenje veza između grafena i iridija.

Konačno, nakon transfera membrane na mrežicu TEM mikroskopa, pomoću Raman spektroskopije potvrđeno je da je gotovo u cijelosti došlo do transfera sloja, uključujući grafen, čiji su karakteristični pikovi jasno vidljivi u spektrima. TEM karakterizacija pokazuje očuvanu periodičnu mrežu metalnih nano-klastera, pri čemu su klasteri oslikani u atomskoj rezoluciji s dobro definiranom kristalnom strukturom i orijentacijom u odnosu na grafen (slika 2).

Slika 2. a) HRTEM slika velikog područja (77 nm × 77 nm) membrane s rešetkom klastera. (b) EDX spektar membrane koji pokazuje snažan signal povezan s prisutnošću Ir. (c) i (d) Difrakcijske slike zabilježene na membrani, na kojima se vide rešetka klastera (c) i Gr rešetka (d), snimljene različitim pojačanjima u recipročnom prostoru. Točke prvog reda označena su plavom, odnosno crvenom bojom. (e) Uvećana HRTEM slika membrane (23 nm × 23 nm), koja daje uvid u kristalnu strukturu klastera. Umetak: skica orijentacije nakupina unutar (e), gdje crvena označava epitaksiju klastera s rešetkom Gr i plavim nasumično orijentiranim skupinama. (f) Zumiranje na klaster koji ima rešetku nalik ravnini (111) Ir, veličina slike je (2 nm × 2 nm). (g) presjek koji odgovara crvenoj isprekidanoj liniji panela (f).

Slika 2. a) HRTEM slika velikog područja (77 nm × 77 nm) membrane s rešetkom klastera. (b) EDX spektar membrane koji pokazuje snažan signal povezan s prisutnošću Ir. (c) i (d) Difrakcijske slike zabilježene na membrani, na kojima se vide rešetka klastera (c) i Gr rešetka (d), snimljene različitim pojačanjima u recipročnom prostoru. Točke prvog reda označena su plavom, odnosno crvenom bojom. (e) Uvećana HRTEM slika membrane (23 nm × 23 nm), koja daje uvid u kristalnu strukturu klastera. Umetak: skica orijentacije nakupina unutar (e), gdje crvena označava epitaksiju klastera s rešetkom Gr i plavim nasumično orijentiranim skupinama. (f) Zumiranje na klaster koji ima rešetku nalik ravnini (111) Ir, veličina slike je (2 nm × 2 nm). (g) presjek koji odgovara crvenoj isprekidanoj liniji panela (f).

 

 

IF Ⓒ 2017