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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Preparation of Liquid-exfoliated Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets with Controlled Size and Thickness: A State of the Art Protocol at JoVE.com

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. Flytande Exfoliering - Framställning av lämpliga lager dispersioner <ol><li> Montera en metallkopp under en sonotrode i ett isbad. </li><li> Doppa 1,6 g av TMD-pulver i 80 ml vattenlösning av natriumcholat (SC) ytaktivt medel (natriumkolat koncentrationen, C SC = 6 g L -1) i metallkopp. </li><li> Flytta sonic spets till botten av metall kopp och sedan upp genom ~ 1 cm. Linda aluminiumfolie runt ljudproben för att undvika spill. </li><li> Sonikera blandningen under iskylning genom ultraljud...

<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>

provberedning Proven som beskrivs här framställs genom spetsultraljudsbehandling. Alternativa peeling förfaranden kan användas, men kommer att leda till olika koncentrationer, laterala storlekar och grader av exfoliering. Högre amplituder och längre på pulser under ultraljudsbehandling bör undvikas för att förhindra skador på den ultraljuds. Liknande resultat erhölls med användning av 500 W processorer. Men sonication tid och amplitud har en inverkan på nanosheet peeling och varia...

Möjligheten att producera och bearbeta grafen, relaterade tvådimensionella (2D) kristaller i den flytande fasen gör dem lovande material för en ständigt växande utbud av applikationer som kompositmaterial, sensorer, energilagring och omvandling och flexibla (opto) elektronik. 1-6 För att utnyttja 2D nanomaterial inom applikationer som dessa kommer att kräva billig och pålitlig funktionella bläck med on-demand lateral storlek och tjockleken på nanoskala beståndsdelar, liksom kontrollerade reologiska och morfologiska egenskaper som lämpar sig för industriell skala utskrift / beläggningsprocesser. 7 I detta avseende har flytande exfoliering fasen blir en viktig produktionsteknik som ger tillgång till en mängd nanostrukturer i stora mängder. 6,8,9 Denna metod involverar sonikering eller skjuvning av skiktade kristaller i vätskor. Om vätskan är lämpligt valda (dvs lämpliga lösningsmedel eller ytaktivt medel) de nanosheets kommer att vara stabilized mot återaggregering. Ett stort antal applikationer och proof-of-principle anordningar har visats med sådana metoder. 6 Förmodligen den största styrkan i denna strategi är dess mångsidighet, eftersom många lager moder kristaller kan exfolierad och behandlas på ett liknande sätt, som ger tillgång till en bred palett av material som kan skräddarsys till önskat program. Trots den senaste tidens framsteg, den resulterande polydispersitet som uppstår på grund av dessa flytande fas produktionsmetoder (i termer av nanosheet längd och tjocklek) presenterar fortfarande en flaskhals i förverkligandet av högpresterande enheter. Detta beror främst på grund av utvecklingen av nya och innovativa storlek urvalsinstrument hittills krävs nanosheets längd och tjocklek karakterisering med hjälp av tråkiga statistisk mikroskop (atomic force microscopy, AFM och / eller transmissionselektronmikroskopi TEM). Trots dessa utmaningar, several centrifugeringstekniker har rapporterats att uppnå längd och tjocklek sortering. 6,10-13 Den enklaste scenariot är homogen centrifugering, där dispersionen centrifugeras vid en given centrifugalacceleration och supernatanten dekanteras för analys. Centrifugeringshastighet sätter storlek cut-off, varvid ju högre hastighet, desto mindre är nanosheets i supernatanten. Lider emellertid denna teknik från två stora nackdelar; För det första, när större nanosheets ska väljas (dvs dispersionen centrifugeras vid låga hastigheter och supernatanten dekanteras) alla mindre nanosheets kommer också kvar i provet. För det andra, oberoende av centrifugeringsvarvtal, en betydande andel av materialet tenderar att vara bortkastade i sedimentet. En alternativ strategi för storleksselektion är densitetsgradient (eller isopyknisk) centrifugering. 11,14 I detta fall är dispersionen sprutas in i ett centrifugrör containing en densitetsgradient-medium. Under ultracentrifugering (vanligtvis&gt; 200.000 xg), är en densitetsgradient bildas och nanosheets flytta till den punkt i centrifugen där deras flytdensitet (densitet inklusive stabilisatorn och lösningsmedlet skal) matchar densiteten av gradienten. Observera att nanomaterial kan också röra sig uppåt under denna process (beroende på var det injicerades). På ett sådant sätt, är de nanosheets effektivt sorteras efter tjocklek snarare än massan (motsatt till homogen centrifugering). Även om detta förfarande ger en unik möjlighet att sortera nanosheets av tjocklek, lider det av betydande nackdelar. Till exempel, är utbytena mycket låga och för närvarande tillåter inte för massproduktion av separerade nanosheets. Detta är delvis relaterad till låga halter av monolager i lager dispersioner efter vätske peeling och kan potentiellt förbättras genom att optimera peeling förfaranden i framtiden. Dessutom är den typiskt en tidskrävande flerstegsultracentrifugering process som involverar flera iterationer för att uppnå effektiv val storlek. Vidare i fallet med oorganiska nanomaterial, är det begränsat till polymerstabiliserade dispersioner för att erhålla de erforderliga flytdensiteter och gradienten mediet i dispersionen kan störa vidare bearbetning. Vi har nyligen visat att ett förfarande vi kallar flytande kaskadcentrifugering (LCC) erbjuder ett spännande alternativ, 13 som vi kommer också detalj i detta manuskript. Detta är ett flerstegsförfarande som är extremt mångsidig tillåter olika kaskader ska utformas i enlighet med det önskade resultatet. För att visa denna process är en vanlig kaskad skildras i figur 1 och omfattar flera centrifugeringssteg, varvid varje har en högre hastighet än den förra. Efter varje steg, är sedimentet behålls och supernatanten används därefter i förfarandet steget. Som ett resultat, innehåller varje sediment nanosheets i ett givetstorleksintervall som har &quot;instängd&quot; mellan två centrifuge med olika hastigheter; den nedre avlägsna större nanosheets i föregående sediment medan den högre hastigheten bort de mindre nanosheets i supernatanten. Kritisk för LCC, kan det resulterande sedimentet återdispergeras helt genom mild sonikering i respektive medium, vilket i detta fall är vattenhaltig natriumcholat H2O-SC (vid SC koncentrationer så låga som 0,1 g L -1). Resultatet är dispersioner med praktiskt taget vilken som helst vald koncentration. Viktigt är nästan inget material slösas bort i LCC, vilket resulterar i samlingen av relativt stora mängder av storleks valda nanosheets. Som visas här, har vi tillämpat denna procedur ett antal vätske exfolierad nanosheets inklusive MoS 2 och WS 2 samt gas, 15 svart fosfor 16 och grafen 17 i både lösningsmedel och ytaktiva system. Denna unika centrifugering procedure möjliggör effektiv storleks urval av vätske exfolierad nanosheets och har därefter möjliggjort en betydande framsteg i fråga om storlek och tjocklek beslutsamhet. I synnerhet genom denna metod vi visat tidigare att optisk utrotning (och absorbans) spektra av nanosheets förändras systematiskt som en funktion av båda nanosheets sidodimensioner och nanosheets tjocklek. När vi summerar här, har detta tillät oss att koppla nanosheet spektral profil (specifikt intensitetsförhållandet vid två lägen för utrotning spektrum) till medelvärdet nanosheet längden som ett resultat av nanosheet kanteffekter. 12,13 Viktigt kan samma ekvation användas för att kvantifiera storleken på MoS 2 och WS 2. Dessutom visar vi att A-exciton läge skiftar mot lägre våglängder som en funktion av medel nanosheet tjocklek på grund av inneslutningseffekter. Även om peeling, liksom storlek val och beslutsamhet är i allmänhet ganska rånaUST förfaranden, den kvantitativa resultatet beror på nyanser i protokollet. Men särskilt för nykomlingar till området, är det svårt att bedöma vilka processparametrar som är mest relevanta. Detta handlar om det faktum att det experimentella delar av forskningsrapporter endast ge en grov protokoll, utan att diskutera vad resultatet är att vänta när du ändrar förfarandet eller ge en rationell bakom protokollet. I detta bidrag, har vi för avsikt att ta itu med detta samt ge en detaljerad guide och diskussion för produktion av vätske exfolierad nanosheets med reglerad storlek och noggrann bestämning av storlek av antingen statistisk mikroskopi eller analys av utrotning spektra. Vi är övertygade om att detta kommer att bidra till att förbättra reproducerbarhet och hoppas att det blir en användbar guide för andra experimental inom detta forskningsområde. <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/54806/54806fig1.jpg" /> Figure 1: Schematisk bild av storleken urval av vätskekaskadcentrifugering. Storleks utvalda nanosheets samlas som sediment. Varje sediment samlas eller &quot;fångade&quot; mellan två centrifugeringshastighet (co) med start från låga hastigheter och går till högre dem från steg till steg. Sedimentet kastas efter den första centrifugeringen innehåller unexfoliated skiktade kristal medan supernatanten kastas efter det sista centrifugeringssteget innehåller extremt små nanosheets. Storleksselekterat dispersioner framställs genom re-dispergering de uppsamlade sediment i samma medium (här vattenlösning ytaktivt medel) vid reducerade volymer. Anpassad med tillstånd från 13. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54806/54806fig1large.jpg" target="_blank">Klicka här för att se en större version av denna siffra.</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.

Flytande kaskadcentrifugering (Figur 1) är en kraftfull teknik för att sortera vätske exfolierad nanosheets efter storlek och tjocklek som visas i figur 2 för både MoS 2 och WS 2. Nanosheet sido storlekar och tjocklekar kan karakteriseras av statistisk TEM och AFM, respektive. En typisk AFM bilden visas i figur 2A. Den skenbara nanosheet tjocklek omvandlas till skikt nummer med steghöjd-analys (figur 2...

Watch this Scientific Journal Video about Preparation of Liquid-exfoliated Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets with Controlled Size and Thickness: A State of the Art Protocol at JoVE.com

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

Ett protokoll för vätskan exfoliering av skiktade material till nanosheets är deras storlek val och storlek mätning av mikroskopiska och spektroskopiska tekniker presenteras.

Framställning av Vätske exfolierad övergångsmetall Dichalcogenide Nanosheets med reglerad storlek och tjocklek: En State of the Art protokollet

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

Styra storlek, form och stabilitet Supramolekylära polymerer i vatten

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

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

Syntes av fasförskjutning nanoemulsioner med smala storleksfördelningar för akustiska Droplet förångning och Bubble-förstärkt ultraljud-medierad 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

Finjustera storlek och minimera buller av Solid-state Nanopores

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

Quantum State Engineering of Light med kontinuerlig våg optiska parametriska oscillatorer

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

Karakterisering av nanokristallstorleksfördelning med användning av Raman-spektroskopi med en Multi-partikel Phonon Förlossning 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

Indirekt Tillverkning av Lattice metaller med tunna sektioner Använda centrifugalgjutning

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

Elektro Deposition jämntjock Ge<sub&gt; 23</sub&gt; Sb<sub&gt; 7</sub&gt; S<sub&gt; 70</sub&gt; Och As<sub&gt; 40</sub&gt; S<sub&gt; 60</sub&gt; kalkogenidglas 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 Kontrollerad Manipulering av enskilda molekyler via en Scanning Probe mikroskop med en 3D Virtual Reality-gränssnitt

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

Orienterande övergång i ett flytande kristall utlöst av den termodynamiska tillväxten av gränsvärda vätskeark

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

Beredning av stora ytor vertikala 2D Crystal Hetero-strukturer genom Sulfurization övergången metall filmer för enheten Fabrication

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