Name: preparation of liquid-exfoliated transition metal dichalcogenide nanosheets with controlled size and thickness: a state of the art protocol
Uploaded: 2016-12-20T12:00:00
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The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Program under grant agreement n&#176;604391 Graphene Flagship. C.B. acknowledges the German Research Foundation, DFG, under grant BA 4856/2-1.

1. Flüssige Exfoliation - Herstellung geeigneter Auf Dispersions <ol><li> Montieren Sie eine Metallschale unterhalb einer Sonotrode in einem Eisbad. </li><li> Tauchen 1,6 g des TMD - Pulver in 80 ml wässriger Lösung von Natriumcholat (SC) Tensid (Natriumcholat - Konzentration, C SC = 6 g L -1) in der Metallschale. </li><li> Bewegen Sie den Schallspitze auf dem Boden des Metallschale und dann nach oben von ~ 1 cm. Wickeln Sie Aluminiumfolie um die Schallsonde Verschütten zu vermeiden. </li><li...

<ol>
	<li>Zhang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrathin+Two-Dimensional+Nanomaterials.">Ultrathin Two-Dimensional Nanomaterials.</a> ACS Nano. 9, 9451-9469 (2015).</li><li>Yi, M., Shen, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+on+mechanical+exfoliation+for+the+scalable+production+of+graphene.">A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene.</a> J. Mat. Chem. A. 3, 11700-11715 (2015).</li><li>Jariwala, D., Sangwan, V. K., Lauhon, L. J., Marks, T. J., Hersam, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Emerging+Device+Applications+for+Semiconducting+Two-Dimensional+Transition+Metal+Dichalcogenides.">Emerging Device Applications for Semiconducting Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides.</a> ACS Nano. 8, 1102-1120 (2014).</li><li>Nicolosi, V., Chhowalla, M., Kanatzidis, M. G., Strano, M. S., Coleman, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+Exfoliation+of+Layered+Materials.">Liquid Exfoliation of Layered Materials.</a> Science. 340, 1420 (2013).</li><li>Butler, S. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progress,+Challenges,+and+Opportunities+in+Two-Dimensional+Materials+Beyond+Graphene.">Progress, Challenges, and Opportunities in Two-Dimensional Materials Beyond Graphene.</a> ACS Nano. 7, 2898-2926 (2013).</li><li>Bonaccorso, F., Bartolotta, A., Coleman, J. N., Backes, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-dimensional+crystals-based+functional+inks.">Two-dimensional crystals-based functional inks.</a> Adv. Mater. , (2016).</li><li>Torrisi, F., Coleman, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrifying+inks+with+2D+materials.">Electrifying inks with 2D materials.</a> Nat. Nanotechnol. 9, 738-739 (2014).</li><li>Coleman, J. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-Dimensional+Nanosheets+Produced+by+Liquid+Exfoliation+of+Layered+Materials.">Two-Dimensional Nanosheets Produced by Liquid Exfoliation of Layered Materials.</a> Science. 331, 568-571 (2011).</li><li>Smith, R. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-Scale+Exfoliation+of+Inorganic+Layered+Compounds+in+Aqueous+Surfactant+Solutions.">Large-Scale Exfoliation of Inorganic Layered Compounds in Aqueous Surfactant Solutions.</a> Adv. Mater. 23, 3944-3948 (2011).</li><li>Khan, U., O'Neill, A., Porwal, H., May, P., Nawaz, K., Coleman, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size+selection+of+dispersed,+exfoliated+graphene+flakes+by+controlled+centrifugation.">Size selection of dispersed, exfoliated graphene flakes by controlled centrifugation.</a> Carbon. 50, 470-475 (2012).</li><li>Kang, J., Seo, J. -. W. T., Alducin, D., Ponce, A., Yacaman, M. J., Hersam, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thickness+sorting+of+two-dimensional+transition+metal+dichalcogenides+via+copolymer-assisted+density+gradient+ultracentrifugation.">Thickness sorting of two-dimensional transition metal dichalcogenides via copolymer-assisted density gradient ultracentrifugation.</a> Nat. Commun. 5, 5478 (2014).</li><li>Backes, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Edge+and+Confinement+Effects+Allow+in+situ+Measurement+of+Size+and+Thickness+of+Liquid-Exfoliated+Nanosheets.">Edge and Confinement Effects Allow in situ Measurement of Size and Thickness of Liquid-Exfoliated Nanosheets.</a> Nat. Commun. 5, 4576 (2014).</li><li>Backes, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+Highly+Monolayer+Enriched+Dispersions+of+Liquid-Exfoliated+Nanosheets+by+Liquid+Cascade+Centrifugation.">Production of Highly Monolayer Enriched Dispersions of Liquid-Exfoliated Nanosheets by Liquid Cascade Centrifugation.</a> ACS Nano. 10, 1589-1601 (2016).</li><li>Green, A. A., Hersam, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solution+Phase+Production+of+Graphene+with+Controlled+Thickness+via+Density+Differentiation.">Solution Phase Production of Graphene with Controlled Thickness via Density Differentiation.</a> Nano Lett. 9, 4031-4036 (2009).</li><li>Harvey, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+Gallium+Sulfide+Nanosheets+by+Liquid+Exfoliation+and+Their+Application+As+Hydrogen+Evolution+Catalysts.">Preparation of Gallium Sulfide Nanosheets by Liquid Exfoliation and Their Application As Hydrogen Evolution Catalysts.</a> Chem. Mater. 27, 3483-3493 (2015).</li><li>Hanlon, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Liquid+Exfoliation+of+Solvent-Stabilised+Few-Layer+Black+Phosphorus+for+Applications+Beyond+Electronics.">Liquid Exfoliation of Solvent-Stabilised Few-Layer Black Phosphorus for Applications Beyond Electronics.</a> Nat. Commun. 6, 8563 (2015).</li><li>Backes, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectroscopic+metrics+allow+in-situ+measurement+of+mean+size+and+thickness+of+liquid-exfoliated+few-layered+graphene+nanosheets.">Spectroscopic metrics allow in-situ measurement of mean size and thickness of liquid-exfoliated few-layered graphene nanosheets.</a> Nanoscale. 8, 4311-4323 (2016).</li><li>Ridings, C., Warr, G. G., Andersson, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Composition+of+the+outermost+layer+and+concentration+depth+profiles+of+ammonium+nitrate+ionic+liquid+surfaces.">Composition of the outermost layer and concentration depth profiles of ammonium nitrate ionic liquid surfaces.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 16088-16095 (2012).</li><li>Nemes-Incze, P., Osv&#225;th, Z., Kamar&#225;s, K., Bir&#243;, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anomalies+in+thickness+measurements+of+graphene+and+few+layer+graphite+crystals+by+tapping+mode+atomic+force+microscopy.">Anomalies in thickness measurements of graphene and few layer graphite crystals by tapping mode atomic force microscopy.</a> Carbon. 46, 1435-1442 (2008).</li><li>Paton, K. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scalable+production+of+large+quantities+of+defect-free+few-layer+graphene+by+shear+exfoliation+in+liquids.">Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids.</a> Nat. Mater. 13, 624-630 (2014).</li><li>Novoselov, K. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-dimensional+atomic+crystals.">Two-dimensional atomic crystals.</a> Proc. Nat. Ac. Sci. U. S. 102, 10451-10453 (2005).</li><li>Kouroupis-Agalou, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Nanoscale. 6, 5926-5933 (2014).</li><li>Hanlon, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Production+of+Molybdenum+Trioxide+Nanosheets+by+Liquid+Exfoliation+and+Their+Application+in+High-Performance+Supercapacitors.">Production of Molybdenum Trioxide Nanosheets by Liquid Exfoliation and Their Application in High-Performance Supercapacitors.</a> Chem. Mater. 26, 1751-1763 (2014).</li><li>Yadgarov, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dependence+of+the+Absorption+and+Optical+Surface+Plasmon+Scattering+of+MoS2+Nanoparticles+on+Aspect+Ratio,+Size,+and+Media.">Dependence of the Absorption and Optical Surface Plasmon Scattering of MoS2 Nanoparticles on Aspect Ratio, Size, and Media.</a> ACS Nano. 8, 3575-3583 (2014).</li><li>Wilson, J. A., Yoffe, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transition+metal+dichalcogenides.+Discussion+and+interpretation+of+the+observed+optical,+electrical,+and+structural+properties.">Transition metal dichalcogenides. Discussion and interpretation of the observed optical, electrical, and structural properties.</a> Adv. Phys. 18, 193-335 (1969).</li></ol>

Probenvorbereitung Die Proben werden hier beschrieben durch die Spitze Beschallung hergestellt. Alternative Peeling Verfahren kann dazu verwendet werden, wird aber zu unterschiedlichen Konzentrationen, Seitengrößen und Grad der Peeling führen. Höhere Amplituden und mehr auf Impulse während der Beschallung sollte Beschädigung der Beschallungsvorrichtung zu verhindern, vermieden werden. Ähnliche Ergebnisse wurden unter Verwendung von 500 W Prozessoren erhalten. Beschallungszeit und Amplitu...

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&gt; 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 &quot;gefangen&quot; 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. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54806/54806fig1.jpg" /> Figure 1: Schematische Darstellung der Größenauswahl durch flüssige Kaskade Zentrifugation. Größenselektierten -Nanoschichten werden als Sedimente gesammelt. Jedes Sediment wird gesammelt oder &quot;gefangen&quot; 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. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54806/54806fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54806/54806fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="987">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:233px;">Sodium cholate hydrate, from ox and/or sheep bile</td>
			<td style="width:105px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:127px;">C1254-100G</td>
			<td style="width:523px;">Surfactant used as stabilizer in the form of an aqueous solution (i.e. after dissolving the powder in millipore water)</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:233px;">MoS2 powder</td>
			<td style="width:105px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:127px;">69860-100G</td>
			<td style="width:523px;">Other distributors available, but exfoliation and outcome of size selection can vary</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:233px;">WS2, powder 2 um</td>
			<td style="width:105px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:127px;">243639-50G</td>
			<td style="width:523px;">Other distributors available, but exfoliation and outcome of size selection can vary</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:233px;">ImageJ Software</td>
			<td style="width:105px;">Developer: National Insitutes of Health</td>
			<td style="width:127px;">64-bit Java version 2.45 1.6.0_24</td>
			<td style="width:523px;">Image processing software used for TEM analysis, free download</td>
		</tr>
		<tr height="84">
			<td height="84" style="height:84px;width:233px;">Gwyddion Software</td>
			<td style="width:105px;">Developer: Czech Metrology Institute</td>
			<td style="width:127px;">64-bit Java version 2.45</td>
			<td style="width:523px;">Image processing software used for AFM analysis, free download</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:233px;">Origin Pro Software</td>
			<td style="width:105px;">OriginLab</td>
			<td style="width:127px;">Version 2016</td>
			<td style="width:523px;">Software used for data analysis such as differntiation and fitting of the extinction spectra</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Centrifuge&#160;</td>
			<td style="width:105px;">HettichLab</td>
			<td style="width:127px;">Mikro 220R</td>
			<td style="width:523px;">any other benchtop centrifuge is suitable</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Rotor 1</td>
			<td style="width:105px;">Hettich</td>
			<td style="width:127px;">Rotor 1016</td>
			<td style="width:523px;">for centrifugation &#60; 5000 x g</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:233px;">Rotor 2</td>
			<td style="width:105px;">Hettich</td>
			<td style="width:127px;">Rotor 1195-A</td>
			<td style="width:523px;">for centrifugation &#62; 5000 x g</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of liquid-exfoliated transition metal dichalcogenide nanosheets with controlled size and thickness: a state of the art protocol

We summarize recent advances in the production of liquid-exfoliated transition metal dichalcogenide (TMD) nanosheets with controlled size and thickness. Layered crystals of molybdenum disulphide (MoS2) and tungsten disulphide (WS2) are exfoliated in aqueous surfactant solution by sonication. This yields highly polydisperse mixtures containing nanosheets with broad size and thickness distributions. However, for most purposes, specific sizes (in terms of both lateral dimension and thickness) are required. For example, large and thin nanosheets are desired for (opto) electronic applications, while laterally small nanosheets are interesting for catalytic applications. Therefore, post-exfoliation size selection is an important step that we address here. We provide a detailed protocol on the efficient size selection in large quantities by liquid cascade centrifugation and the size and thickness quantification by statistical microscopic analysis (atomic force microscopy and transmission electron microscopy). The comparison of MoS2 and WS2 shows that both materials are size-selected in a similar way by the same procedure. Importantly, the dispersions of size-selected nanosheets show systematic changes in their optical extinction spectra with size due to edge and confinement effects. We show how these optical changes are related quantitatively to the nanosheets dimensions and describe how mean nanosheets length and layer number can be extracted reliably from the extinction spectra. The exfoliation and size selection protocol can be applied to a broad range of layered crystals as we have previously demonstrated for graphene, gallium sulphide (GaS) and black phosphorus.

Flüssige Kaskade Zentrifugation (Abbildung 1) ist eine leistungsstarke Technik flüssig abgeblättert -Nanoschichten nach Größe und Dicke zu sortieren , wie in Abbildung 2 für beide MoS 2 dargestellt und WS 2. Nanoschichtseiten Größen und Dicken können durch statistische TEM und AFM bzw. charakterisiert werden. Ein typisches AFM - Bild ist in 2A gezeigt. Die scheinbare Dicke Nanoschicht wird Nummer mit Stufen...

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Preparation of Liquid-exfoliated Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets with Controlled Size and Thickness: A State of the Art Protocol

Ein Protokoll für das flüssige Exfoliation von Schichtmaterialien -Nanoschichten, deren Größe Auswahl und Größenmessung durch mikroskopische und spektroskopische Methoden vorgestellt.

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

We summarize recent advances in the production of liquid-exfoliated transition metal dichalcogenide (TMD) nanosheets with controlled size and thickness. ...

The goal of this protocol is to produce two dimensional nanosheets stabalized in liquid with controlled lateral size and thickness from bulk crystals. We also demonstrate methods to characterize the morphology and quantitatively determine the nanosheet dimensions from extinction spectra. This method can help answer key questions in nanoscience, such as the influence of nanosheet dimensions on the properties of structures and composites containing these sheets exfoliated in liquid.The main advantage of this technique is that it's applicable to many different true day materials and only requires commonplace laboratory equipment. In particular, the spectroscopic metrics allow rapid assessment of the dispersions that are produced. Demonstrating the procedure will be Farnia Rashvand, a PhD student, and Kevin Synnatschke, a Master's student from my laboratory.To begin this procedure, mount a metal cup underneath a sonotrode in an ice bath. Immerse 0.6 grams of a transition metal dichalcogenide or TMD powder in 80 milliliters of an aqueous solution of sodium cholate surfactant in the metal cup. Move the solid flathead tip to the bottom of the metal cup and then raise it approximately one centimeter.Wrap aluminum foil around the sonic probe to avoid spillage. To sonicate the mixture by probe sonication, set the amplitude to 60%and the pulsing to six seconds on, and two seconds off. Then switch on the sonicator and run the process for one hour.Next, centrifuge the dispersion at 2, 660 times g for 1.5 hours. After discarding the supernatant, add 80 milliliters of fresh surfactant solution to the sediment and agitate the mixture. Then, transfer the mixture back to the metal cup.Now, subject the dispersion to a second, longer sonication using the solid flathead tip for five hours at 60%amplitude under ice cooling. After every two hours, pause the sonication and replace the ice bath. Remove unexfoliated particles by centrifugation at 240 times g for two hours.When finished, discard the sediment. Following this, centrifuge the supernatant at higher centrifugal acceleration. Collect the sediment in three to eight millileters of fresh surfactant solution.Centrifuge the supernatant at an even higher centrifugal acceleration of 950 times g for two hours. Then collect the sediment in three to eight milliliters of fresh surfactant solution. For atomic force microscopy, dilute the dispersion so that it is almost transparent to the human eye.Following this, heat a wafer to approximately 170 degrees Celsius on a hot plate. Then deposit the dispersion on the preheated wafer. Rinse the wafer thoroughly with a minimum of five milliliters of water and three milliliters of 2-Propanol to remove residual surfactant and other impurities.Following this, load the sample in AFM instrument. Scan and save multiple images across the sample with the atomic force microscope in tapping mode. For samples containing larger nanosheets, increase the field of view up to eight by eight micrometers squared and use scan rates of 0.4 to 0.7 hertz.To perform the thickness measurement, open the software and select the relevant AFM image via File and Open. Correct the background using the level data by mean plane subtraction, align rows, and correct horizontal scars in the data process section of the Home menu. Apply the corrections, change the image color for better contrast by right-clicking on the the legend and set the Z plane to zero.Next, zoom into the region of choice by first clicking on the Crop tool in the Home menu. Then drag the cursor over the image to mark the region of choice and press Apply. Check the create new channel to open the selected region in a new window.Select extract profiles from the Tools menu and draw a line across the nanosheet. After the window showing the thickness length profile opens, enter the thickness value in a table. Take the approximate median value of the thickness profile across the nanosheet, taking extreme care to measure only individually deposited and non-aggregated nanosheets.For spectral acquisition, dilute the high concentration sample with the respective medium to yield extinctions below two across the entire spectral range. Set the increments for spectral acquisition to 0.5 nanometers in the instruments setting. Choose subtract baseline in the instruments settings.After placing a cuvette containing the aqueous sodium cholate solution in the spectrometer, run the measurement. Following this, remove the cuvette from the spectrometer and empty it. Add the sample to the cuvette and place the cuvette in the spectrometer.Then run the measurement. Using the data analysis and graphing software, select the column containing the extinction intensity. Click on the Analysis tab, select Mathematics from the dropdown menu, and click on Differentiate.Then select Open Dialog. After the new window opens, set the derivative order to two and press OK.Select the column containing the derivative, click on Analysis and choose Signal Processing. Click on Smooth and then select Open Dialog from the dropdown menu.Next, choose Adjacent Averaging as the smoothing method and set the points to 20. Plot the resultant smoothed spectrum, which is displayed as new columns. Finally, read off the peak position from the second derivative by placing the cursor in the center of the peak.Liquid cascade centrifugation is used to sort liquid-exfoliated nanosheets by size and thickness as demonstrated for molybdenum and tungsten disulfide. A typical AFM image is shown here. And the nanosheet thickness is converted to layer number using step height analysis.Statistical microscopic analysis yields length and number of layer histograms. The mean nanosheet length and layer number plotted as a function of central acceleration shows a similar trend for both materials. The length plotted as a function of nanosheet layer number confirms that smaller, thinner nanosheets are separated from larger, thicker ones.Optical extinction spectra of molybdenum and tungsten disulfide with different mean nanosheet sizes and thicknesses are shown here. The corresponding fitted second derivatives of the A-exciton region illustrate well-defined peak shifts of the transition. Data for both materials collapses on the same curve if appropriate peak positions are chosen and means that the nanosheet size can be quantitatively linked to the nanosheet length via the same equations.The A-exciton extinction coefficient is length dependent except at certain positions, so that the corresponding extinction coefficient can be used as measure for nanosheet concentration. The number of layers can be quantitatively related to the A-exciton peak position. Once mastered, large quantities of liquid-exfoliated nanosheet dispersions with controlled and known dimensions can be produced in only a couple of days.This is enabled by the high throughput size determination based on the optical extinction spectra. Since the nanosheet size determines its properties, the size control is crucial. After the development of the metrics, this technique paved the way for researchers to explore them in a number of applications, from electrocatalysis to electronics to composite reinforcement.After watching this video, you should have a good understanding of how to produce size selected nanosheet dispersions using liquid phase exfoliation and liquid cascade centrifugation procedures. Following the dispersion preparation, it's very important to perform basic characterization using statistical microscopy and optical extinction spectroscopy to confirm the nature of the dispersion constituents. Most excitingly, the resulting size selected nanosheet dispersions can then be subject to various liquid phase processing methods to produce thin films and other nanosheet containing structures for a wide range of potential applications.

Research

JoVE Journal

Engineering

Controlling the Size, Shape and Stability of Supramolecular Polymers in Water

Steuern der Größe, Form und Stabilität der supramolekularen Polymeren in Wasser

For aqueous based supramolecular polymers, the simultaneous control over shape, size and stability is very difficult1. At the same time, the ability to do ...

Forschung

Ingenieurwesen

Synthesis of Phase-shift Nanoemulsions with Narrow Size Distributions for Acoustic Droplet Vaporization and Bubble-enhanced Ultrasound-mediated Ablation

Synthese von Phase-shift Nanoemulsionen mit enger Größenverteilung für Acoustic Droplet Vaporisation und Bubble-enhanced Ultraschall-vermittelte Ablation

High-intensity  focused ultrasound (HIFU) is used clinically to thermally ablate tumors. To  enhance localized heating and improve thermal ablation in ...

Fine-tuning the Size and Minimizing the Noise of Solid-state Nanopores

Feinabstimmung der Größe und Minimierung der Lärm von Solid-State-Nanoporen

Solid-state nanopores have emerged as a versatile tool for the characterization of single biomolecules such as nucleic acids and proteins1. However, the ...

Quantum State Engineering of Light with Continuous-wave Optical Parametric Oscillators

Staatliche Ingenieur Quantum of Light mit Dauerwellen-Optische parametrische Oszillatoren

Engineering non-classical states of the electromagnetic field is a central quest for quantum optics1,2. Beyond their fundamental significance, such states ...

Characterization of Nanocrystal Size Distribution using Raman Spectroscopy with a Multi-particle Phonon Confinement Model

Charakterisierung von Nanokristallgrößenverteilung mittels Raman-Spektroskopie mit einem Multi-Partikel Phonon Confinement Modell

Analysis of the size distribution of nanocrystals is a critical requirement for the processing and optimization of their size-dependent properties. The ...

Indirect Fabrication of Lattice Metals with Thin Sections Using Centrifugal Casting

Indirekte Herstellung von Lattice Metals mit Dünnschliffen Mit Schleuderguss

One of the typical methods to manufacture 3D lattice metals is the direct-metal additive manufacturing (AM) process such as Selective Laser Melting (SLM) ...

Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films

Electrospray Deposition of Uniform Thickness Ge23Sb7S70 and As40S60 Chalcogenide Glass Films

Elektroabscheidung von einheitlicher Dicke Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; Und As<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; Chalkogenidglases Films

Solution-based electrospray film deposition, which is compatible with continuous, roll-to-roll processing, is applied to chalcogenide glasses. Two ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Hand kontrollierte Manipulation einzelner Moleküle über ein Rastersondenmikroskop mit einer 3D-Virtual-Reality-Schnittstelle

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Orientational Transition in a Liquid Crystal Triggered by the Thermodynamic Growth of Interfacial Wetting Sheets

Orientationaler Übergang in einem Flüssigkristall, der durch das thermodynamische Wachstum von Grenzflächenbetonplatten ausgelöst wird

In liquid crystal (LC) physical chemistry, molecules near the surface play a great role in controlling bulk orientation. Thus far, mainly to achieve ...

Preparation of Large-area Vertical 2D Crystal Hetero-structures Through the Sulfurization of Transition Metal Films for Device Fabrication

Herstellung von großflächigen vertikale 2D Crystal Hetero-Strukturen durch Sulfurization Übergangsmetall Filme für Gerät Herstellung

We have demonstrated that through the sulfurization of transition metal films such as molybdenum (Mo) and tungsten (W), large-area and uniform transition ...