나노물질
산업 제조
탄탈륨 이황화물 나노시트는 전자적 특성과 장치 응용으로 인해 큰 관심을 끌고 있습니다. 기존의 용액 기반 초음파 공정은 초음파에 의해 제한되어 서브미크론 크기의 플레이크로 분해될 수 있습니다. 여기에서는 효율적인 다단계 삽입 및 초음파가 필요 없는 프로세스가 1T-TaS2 각질 제거에 성공적으로 사용되었습니다. . 획득한 TaS2 나노시트는 평균 두께가 3nm이고 크기가 수 마이크로미터임을 나타냅니다. 소수층 TaS2의 형성 나노시트 및 단층 TaS2 시트는 원자력 현미경 이미지에 의해 추가로 확인됩니다. 소수 계층 TaS2 나노시트는 1T 구조를 유지하는 반면 단층 TaS2 시트는 격자 왜곡을 나타내며 삼각 프리즘 배위를 가진 1H와 같은 구조를 채택할 수 있습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">층상 전이 금속 디칼코게나이드(TMD)는 에너지 분야에서 독특한 구조적 특징과 뛰어난 성능으로 인해 2차원 물질로 큰 관심을 끌고 있습니다[1,2,3,4,5,6,7,8,9] 및 전기 [10,11,12,13,14]. TMD는 층상 구조 때문에 일반적으로 루이스 염기에서 알칼리 금속에 이르는 다양한 전자 공여 종의 삽입을 위한 호스트 역할을 하며 유기 리튬[14] 또는 알칼리 금속 나프탈렌[15] 환원을 사용하여 나노시트로 박리될 수 있습니다. 화학 및 초음파 물리학 [5, 9, 11, 15,16,17,18,19]. 박리된 TMD는 일반적으로 전기[11, 14], 촉매[5, 6, 8, 9] 및 에너지 저장[2,3,4, 7] 분야에서 향상된 특성을 나타냅니다.
대표적인 TMD 동형의 하나로 이황화탄탈륨(TaS2 )은 수십 년 동안 연구되어 온 귀중한 구조적, 기계적, 화학적, 전자적 특성의 독특한 조합을 보여줍니다[10, 12, 15, 20,21,22]. 그것의 라멜라 구조와 전자적 특성은 마이크로 전자기계 시스템, 장치 응용[18, 21, 23], 초전도체[10, 12]와 같은 고전력 응용에 유익합니다. 1T상과 2H상이 가장 대표적인 구조이다. 두 단계 사이의 구별은 S-Ta-S 조정 상황일 수 있으며, 이는 팔면체 조정(1T) 및 프리즘 조정(2H)으로 인식됩니다. 두 단계는 전자 구조 및 기타 특성에서 상당히 다릅니다. 예:대량 1T-TaS2 전하 밀도 파동(CDW) 전이를 보여주고 그러한 전이는 (001) 배향된 단결정 나노플레이크(<5 nm 두께)에서 측정하여 사라지는 것으로 밝혀졌습니다[18, 21, 23]. 반면, 2H상은 초전도성을 나타내며 층간삽입에 의해 임계온도가 상승할 수 있다[24,25,26].
TaS2를 포함한 TMD 기계적 방법[22] 또는 초음파 보조 삽입 과정[1, 4,5,6,7,8,9, 14, 15, 19]에 의해 성공적으로 박리될 수 있습니다. 박리된 TaS2 기계적 방법으로 얻은 것은 미시적 특성을 탐구하는 데에만 사용됩니다[20, 23, 27]. 다른 모든 방법은 박리된 나노플레이크의 크기를 겪고[15] 광범위한 적용을 제한할 수 있는 물리적 초음파 지원[15,16,17, 19]을 제거하지 못했습니다. 따라서 효율적인 대체 각질 제거 방법을 모색하는 것이 필요합니다.
우리의 연구는 첫 번째 단계 삽입 반응으로 알칼리 금속-암모니아를 사용하는 다단계 삽입 방법으로 이어집니다. 예를 들어 나트륨 액체 암모니아 용액에서 금속은 전자를 용액으로 전달하여 라디칼 용매화 전자를 생성합니다. 반응은 알칼리 금속과 암모니아 분자를 TaS2의 중간층으로 도입합니다. . 더욱이 암모니아는 수산기를 함유한 물로 대체될 수 있다[28]. 수산기가 포함된 포도당은 매우 큰 층 간격을 생성할 수 있는 페로브스카이트[29, 30]를 삽입하는 데 사용되었습니다. 하이드록실 함유 포도당이 TaS2에 들어갈 수 있는지 여부를 고려하는 것은 흥미롭습니다. 물처럼 층을 이루고 TaS2 각질 제거 . 그리고 물-유기 혼합 용매를 사용하여 대량의 2차원 물질을 박리한 적이 있습니다[31, 32].
여기에서는 다단계 초음파 프리 인터칼레이션 과정을 사용하여 1T-TaS2의 효율적인 각질 제거를 보고합니다. . 박리된 TaS2 나노시트는 크기가 수 마이크로미터이고 평균 두께가 약 3nm인 1T 구조를 보여줍니다. 단층 TaS2 또한 얻을 수 있으며 구조적 특징을 탐색하기 위해 일부 작업이 수행되었습니다.
Ta, Na, S power는 Aladdin 시약에서 구할 수 있습니다. 모든 시약은 추가 정제 없이 받은 그대로 사용되었습니다.
먼저 1T-TaS2 화학양론적 양의 Ta 및 S를 진공 석영 튜브에 밀봉한 다음 900°C로 1일 동안 가열한 후 튜브를 급냉하여 제조했습니다.
박리 메커니즘은 다단계 삽입 과정에 기인할 수 있습니다. 나 x (NH3 ) y 타스2 액체 암모니아 절차를 통해 합성되었습니다. 먼저, 일정량의 나트륨이 있는 밀봉된 반응 벌브를 - 80 °C 아래에 두어 나트륨의 암모니아 용액을 얻었다. 그런 다음 TaS2 분말을 TaS2의 몰비로 진청색 용액에 첨가했습니다. :Na는 1:0.8입니다. 10-20분 반응 후 액체 암모니아가 증발하고 Na x (NH3 ) y 타스2 이용 가능했습니다.
Na x 50밀리그램 (NH3 ) y 타스2 Na x로 이동하기 위해 공기 중에 노출되었습니다. (H2 오) y 타스2 , 이후에 Na x (H2 오) y 타스2 분쇄하고 20ml 0.2g/ml 포도당 수용액에 첨가하였다. 혼합 용액을 5분 동안 교반하여 공기 중에 분산시킨 다음 질소로 버블링하여 산화를 방지하기 위해 산소를 배출했습니다. 나 x (C6 H12 O6 ) y 타스2 약 2시간 후에 반응 용액에서 분리될 수 있습니다. 상기 분산액을 밀봉하고 6시간 동안 계속 교반하였다. 그런 다음, 용액을 12000rpm에서 30분 동안 원심분리하여 추가 특성화를 위해 제품(샘플 A로 표시됨)을 얻었습니다. 대조적으로, 용액의 일부를 1시간 동안 방치하고 상등액을 원심분리했습니다(샘플 B로 표시). 30분 이상 질소로 거품을 낸 물(혐기성 물)을 사용하여 포도당을 씻어낸 다음 알코올을 사용하여 샘플을 세척하여 물을 이동할 수 있습니다.
Cu Kα를 사용하여 Philips X'pert Pro Super 회절계에서 X선 회절(XRD) 패턴을 기록했습니다. 실온에서 방사선. Na x의 XRD 패턴 (NH3 ) y 타스2 공기가 없는 모세관에서 다르게 측정되었고 다른 모든 삽입된 샘플은 공기에서 측정되었습니다. 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 JEOL JSM-6700F 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, 20kV)으로 촬영했습니다. 200kV의 가속 전압으로 JEOL-2010에서 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 얻었습니다. AFM(Atomic Force Microscopy)(AFM, DI Innova Multimode SPM 플랫폼)을 사용하여 두께를 감지했습니다. 현미경 구조 조사는 고급 JEM-ARM 200F 수차 보정 고해상도 TEM 시설에서 HAADF(고각 환상 암시야) 이미징 모드를 통해 수행되었습니다.
그림 1은 다단계 삽입 반응의 개략도를 보여줍니다. 알칼리 금속 암모니아는 환원성을 가지며 동시에 1T-TaS2에 도입될 수 있습니다. Na x를 얻기 위한 중간층 갤러리 (NH3 ) y 타스2 짧은 시간 안에. 나 x (NH3 ) y 타스2 안정적이지 않고 Na x로 쉽게 이동합니다. (H2 오) y 타스2 Na + 의 디인터칼레이션과 함께 물에서 수소 생성 [33, 34]. Na x 전송 후 (H2 오) y 타스2 포도당 수용액에 Na x (C6 H12 O6 ) y 타스2 2시간 후에 형성 및 분리될 수 있습니다. 그런 다음 총 6시간 후에 TaS2 각질 제거 Na + 의 지속적인 디인터칼레이션으로 인해 결국 형성 포도당 분자와 TaS2 사이의 약한 상호작용 층. 반응 용액의 화염 반응은 Na + 의 디인터칼레이션을 추가로 확인합니다. , 반응식이 표시됩니다(추가 파일 1:그림 S1).
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벌크 1T-TaS2에서 다단계 삽입 반응 TaS2 각질 제거 시트
Na x의 완전한 분산이 발견되었습니다. (H2 오) y 타스2 포도당 용액에서 TaS2 각질 제거의 핵심 요소 . 추가 파일 1:그림 S2는 Na x의 분산 상태를 보여줍니다. (H2 오) y 타스2 호기성 물, 즉 공기 중에서 작동하고 혐기성 물, 즉 물의 산소를 제거합니다. Na x를 추가하기 전에 산소가 버블링되는 경우 (H2 오) y 타스2 , 포도당 수용액에 분산되지 않고 박리된 TaS2 얻을 수 없습니다. 반대로 Na x (H2 오) y 타스2 층 가장자리의 수산화 과정으로 인해 호기성 물에 완전히 분산될 수 있습니다[17]. 그런 다음 전체 분산이 효과적인 각질 제거로 이어집니다. 모든 제품을 원심분리하여 특성화에 사용할 수 있습니다.
XRD 패턴(그림 2a)은 각 단계의 층간 간격 변화를 보여줍니다. 깨끗한 TaS의 001 피크2 c를 따라 격자가 확장되었음을 나타내는 낮은 각도로 완전히 이동합니다. -중심선. Na x의 층간 간격 (NH3 ) y 타스2 , 나 x (H2 오) y 타스2 , 및 Na x (C6 H12 O6 ) y 타스2 각각 9.1, 11.7, 14Å입니다. 5.86Å의 TaS2와 비교 , Na x의 층간 간격 (C6 H12 O6 ) y 타스2 8.1Å 증가하여 Van der Waals의 중간층 힘을 크게 약화시키고 TaS2 박리에 유리합니다. .
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아 깨끗한 TaS2의 XRD 패턴 및 회로도 , Na(NH3 )-삽입된 TaS2 , 나(H2 O) 삽입된 TaS2 , 및 C6 H12 O6 -삽입된 TaS2 . ㄴ 소수층 TaS2의 XRD 패턴 (A) 및 단층 TaS2 (나)
그림 2b(A)는 샘플 A의 XRD 패턴을 보여줍니다. 001, 002, 100, 101 및 003 피크는 완전히 1T-TaS2를 따릅니다. . 날카로운 100 피크와 넓고 강한 00 l 반사는 ab를 나타냅니다. 나노 시트의 확장 방향. 평균 두께는 001 피크의 FWHM을 기반으로 하는 Scherrer 방정식에 의해 3nm로 추정됩니다. 또한, 샘플 B의 XRD 패턴(그림 2b(B))은 001 피크가 완전히 사라지는 것을 보여줍니다. 즉, c 주기 -축이 사라짐으로써 TaS2 형성을 의미합니다. 단층. 또한 동일한 구조로 1T-TiS2 우리의 방법으로 각질을 제거할 수도 있습니다. 박리된 TiS2의 XRD 패턴 추가 파일 1:그림 S3에 나와 있습니다. 박리된 TiS2의 평균 두께 Scherrer 방정식에 의해 4nm로 추정됩니다. 이것은 다른 TMD로 확장할 수 있는 우리의 방법의 잠재력을 보여줍니다.
추가 파일 1:그림 S4는 대량 TaS2의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. 및 박리된 나노시트. E1g인 두 가지 라만 특성을 확인할 수 있습니다. 및 A1g 모드 [35, 36]. 벌크에서 나노시트까지, E1g 및 A1g 모드는 약간의 변화를 보여줍니다. 이러한 이동은 아마도 층간 반 데르 발스 힘의 약화로 인한 힘 상수의 감소에 기인한 것 같습니다. 또한 구조 변경으로 인해 발생할 수 있는 새로운 진동 모드가 있습니다. 박리된 TaS의 FWHM2 부피보다 크며, 이는 또한 두께 감소를 나타냅니다.
그림 3a, b의 FESEM 이미지는 크기가 수 마이크로미터인 플레이크 같은 형태를 명확하게 나타냅니다. 한 가지 주목할 만한 결과는 대부분의 TaS2 시트에는 마이크로 크기 비율이 있습니다. 그림 3c, d의 TEM 이미지는 샘플의 형태를 추가로 보여줍니다.
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박리된 TaS2의 형태, 두께 분포 얇은 필름. 아 , b 일반적인 SEM 이미지는 크기가 수 마이크로미터인 꽃과 같은 형태를 보여줍니다. ㄷ , d 일반적인 TEM 이미지는 합성 샘플의 형태와 마이크론 크기 비율을 보여줍니다.
그림 4는 백운모 기질에 증착된 샘플에 대해 수행된 AFM 분석을 보여줍니다. 3개의 시트(각각 0.45, 0.45, 2.1nm)를 측정했습니다. 0.45nm의 두께는 5.86Å의 001 층간 간격과 Ta 및 S 원자에 의해 형성된 2.93Å의 다면체 크기의 허용 범위 내에 있습니다(추가 파일 1의 HADDF 이미지:그림 S5에서 더 많은 증거를 볼 수 있음). 이것은 단층 TaS2 형성의 직접적인 증거입니다 . 한편, 2.1nm 두께의 나노시트는 3~4개의 TaS2 레이어를 나타냅니다. .
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박리된 TaS2의 AFM 이미지 나노시트는 단층의 두께와 TaS2의 3~4개 층을 보여줍니다. 시트는 각각 약 0.45 및 2.1nm입니다.
우리의 접근 방식은 마이크로 크기의 시트(최대 측면 크기는 5μm)와 단층 TaS2를 생산할 수 있습니다. (최소 두께는 0.45nm입니다). 초음파는 필요하지 않으며 박리된 나노플레이크의 크기를 겪을 수 있습니다. 다양한 각질 제거 기술 간의 차이점에 대한 자세한 내용은 추가 파일 1:표 S1에 나와 있습니다.
그림 5는 십자형 구조의 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM) 이미지와 고속 푸리에 변환(FFT) 패턴을 보여줍니다. 2.9 및 5.9Å의 격자 무늬는 벌크 TaS2의 100 및 001 평면과 일치합니다. , 각각. FFT 패턴은 각각 전형적인 [001] 영역 축(A) 및 [001]/[010] 영역 축(B)에 수행되었습니다. 겹치는 부분 외에도 1T-TaS2의 101 및 001 회절 반점 B 영역에서 식별되어 소수층 나노시트가 1T-TaS2를 채택함을 나타냅니다. 구조.
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소수층 TaS2의 특성화 . A 및 B 영역의 십자형 구조 및 FFT 패턴의 HRTEM 이미지. A는 예측 가능한 영역 축 TaS2입니다. 나노시트, B는 [001]/[010] 영역 축의 일치입니다. 이 중 1T-TaS2의 101 및 001 스팟 식별됨
우리는 또한 고급 수차 보정 고해상도 STEM 시설에서 HAADF 이미징 모드를 통해 원자 구조 조사를 수행했습니다. 그림 6a는 몇 레이어 TaS2에서 기록됨 시트는 HAADF 이미지에서 명확하게 볼 수 있는 1T 원자 구조를 보여줍니다. 두 Ta 원자 사이의 거리는 3.35Å이고 FFT 패턴은 100의 일반적인 2.9Å 스폿을 보여줍니다. 구조를 더 자세히 조사하기 위해 HAADF-STEM 이미지에서 Z-대비를 활용했습니다(그림 6a). S 원자가 기여하는 대비는 AB 선을 따라 대칭으로 분포합니다(그림 6c). 결과는 1T-TaS2에서 S-Ta-S의 팔면체 조정과 일치합니다. 구조(추가 파일 1:그림 S6a) [37]. S 원자는 Ta 사이트 주변에 대칭적으로 분포되어 있습니다(그림 6c).
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단층 TaS2의 원자 구조 분석 . 아 TaS2의 일반적인 HADDF-STEM 이미지 8면체 TaS2의 명확한 원자 패턴을 보여줍니다. 그리고 그것의 FFT 패턴. ㄴ TaS2의 일반적인 HADDF-STEM 이미지 단층 삼각형 TaS2에서 명확한 원자 패턴을 보여줍니다. 왜곡된 FFT 패턴. ㄷ 1T-TaS2의 하단 강도 프로필 AB 라인을 따라, 그리고 팔면체 TaS의 구조적 모델2 대비를 위해 표시됩니다. d CD 라인을 따른 하단 강도 프로파일은 삼각 기둥의 원자 위치와 삼각 TaS의 구조 모델을 나타내는 Ta 및 S 원자의 위치를 나타냅니다.2
단층 나노시트를 추가로 특성화했을 때 세 방향에서 두 Ta 원자 사이의 원자 거리는 각각 3.4, 3.45, 3.53Å이라는 흥미로운 현상이 발견되었습니다(그림 6b). 해당 FFT 패턴은 ab의 격자 왜곡을 나타내는 왜곡된 육각형(각각 2.93, 2.98, 3.07Å)을 보여줍니다. 비행기(그림 6b). CD 라인을 따라 기록된 강도 프로파일(그림 6e)은 소수 레이어 TaS2의 경우와 다릅니다. (그림 6c). S 원자에 의해 기여되는 대조는 CD 선을 따라 비대칭적으로 분포하고 상대적 강도는 그림 6c의 강도보다 훨씬 강합니다. 이는 단층 구조에서 또 다른 S-Ta-S 배위를 의미합니다. TaS2에는 두 가지 S-Ta-S 조정 상황이 있습니다. , 결과는 S-Ta-S의 삼각 프리즘 조정이 있는 1H 단일 레이어 구조와 일치합니다(추가 파일 1:그림 S6b) [38]. 이 경우 S 원자는 CD 선을 따라 Ta 원자 주위에 비대칭으로 분포하고 c를 따라 두 개의 S 원자가 중첩됩니다. -축(전자빔 방향)은 S 원자의 신호를 향상시킵니다(그림 6f). 따라서 단층 TaS에서 S-Ta-S의 삼각기둥 배위를 갖는 1H 구조2 시트를 제안합니다. 이러한 단층 구조는 불안정할 수 있으며 격자 왜곡이 발생할 수 있습니다. 이 구조는 라만 결과에서 새로운 진동 모드를 담당할 수 있습니다. 물론 단층 TaS2에서 격자왜곡의 본질은 더 탐구되어야 한다. 한편, TaS2의 다른 구조적 단계 시트는 다른 장치 응용 프로그램에 악용될 수 있습니다.
요약하면, 우리는 탄탈륨 이황화물의 박리를 위한 효율적인 박리 방법을 개발하고 마이크론 크기의 단층에서 수층 시트를 얻었다. 초음파가 필요 없는 순수한 화학적 각질제거 방법입니다. 단층 및 소수층 샘플은 모두 자세히 특성화되었으며 단층 TaS2에서 팔면체에서 삼각기둥으로의 배위 변화가 발견되었습니다. . 이것은 유한 크기 효과를 탐색할 때 구조적 변화로 인한 속성 변동 지점에 주의를 기울이도록 모든 사람에게 실제로 경고하는 반면, 소수 계층 TaS2 여전히 1T 구조를 유지합니다.
간단히 말해서, 본 연구는 고박리 기능성 나노시트를 합성하기 위한 효율적인 무초음파 전략을 제공할 뿐만 아니라 단층 및 소수층 TaS의 구조를 탐구합니다.2 . 현재 작업은 2D 재료와 물리적 및 화학적 특성을 더 잘 이해하기 위한 통찰력을 제공하고 응용 프로그램에 더 많은 기회를 제공합니다.
나노물질
제조 엔지니어링은 연구, 설계, 개발, 프로세스, 기계, 장비, 도구 및 사양. 비용 효율성과 최대 생산성을 강조하면서 원자재를 완제품으로 변환하는 일을 담당하는 제조 엔지니어가 있습니다. 제조 엔지니어의 의무 제조 엔지니어는 원자재에서 제품을 제조하는 것과 관련된 광범위한 업무를 수행합니다. 궁극적인 목표는 원자재를 완제품으로 바꾸는 것입니다. 그러나 이를 달성하기 위해 제조 엔지니어는 해당 작업장에서 사용되는 프로세스와 장비를 숙지해야 합니다. 제조 엔지니어가 사용하는 몇 가지 원칙은 다음과 같습니다. 시스템 출시 미국의
산업용 로봇은 40년 이상 동안 제조를 더 쉽게 만들어 왔습니다. 로봇이 점점 더 고도로 진화함에 따라 로봇은 더욱 유연해지고 제조업체가 생산 라인에 통합하기가 더욱 쉬워집니다. 로봇의 유연성은 생산 라인에서 작동하는 방식에 필수적입니다. 산업용 로봇은 인간이 흉내낼 수 없는 방식으로 구부리고 늘릴 수 있습니다. 도달 범위가 훨씬 더 넓은 이 옵션을 통해 제조업체는 생산 라인의 한 곳이 아닌 여러 다른 스테이션에서 로봇을 사용할 수 있습니다. 많은 로봇이 360도 회전할 수 있으므로 작업 영역이 매우 다양할 수 있습니다. 로봇이