Цікавий спосіб створення квантових точок з молекул фулерену запропонували сінгапурські вчені

Цікавий спосіб створення квантових точок з молекул фулерену запропонували сінгапурські вчені (деякі моменти цього способу ми вже пропонували Вашій увазі). Молекули фулерену С60, адсорбовані на поверхні перехідних металів, в результаті проведення високотемпературного відпалу формують квантові точки. Результати своєї роботи вони опублікували в журналі Nature Nanotechnology.

За їх словами, на момент публікації в літературі не зустрічалося дані про проведення подібних експериментів. В залежності від умов фрагментації молекул фулерену на поверхні металу (у даній роботі на рутенії) можуть сформуватися або листи графіту, або графенові квантові точки – графен quantum dots, GQD (Прим. ред. Таку назву, можливо, пов’язано з тим, що GQD формуються з молекул фулерена, у яких стінки складаються з моноатомных шарів атомів вуглецю, як у графена, хоча, в принципі, з таким же успіхом квантові точки можна було назвати фулереновими).

Рис. 1. Трансформація 1,2 ML молекул С60 в аркуш графена, що покриває поверхню Ru(0001) після відпалу при температурі 1200К протягом 5 хв. СТМ зображення. а) С60 на поверхні рутенія. b) Освіта графена після відпалу. з) Зображення графену з великою роздільною здатністю. d) Збільшене зображення малюнка Муавра, на якому чітко видно структура у вигляді правильних шестикутників-сот. Параметри ВТМ: a) V=1,25 В, I=0,1; b) V=1,2, I=0,08; c) V=18 мВ, I=0,5; d) V=18 мВ, I=0,5.

На рис. 1 показана трансформація молекул С60 в лист графену на поверхні Ru(0001) після відпалу при температурі 1200К протягом 5 хв. При концентрації фулерену від 0,2 до 0,7 ML малість дифузійної довжини між фрагментованими ділянками молекул сприяє агрегації вуглецевих кластерів у безладно розташовані «острівці» графену (рис.2). (Прим. ред. У статті для позначення повного моношару використовується абревіатура 1 ML або просто ML. Якщо концентрація молекул фулерену менше, тоді вказують його дробову частину).

Рис. 2. a) СТМ зображення фрагментів молекул C60, сформованих при руйнуванні 0,5 ML молекул С60 в результаті відпалу T=675-700 K. b) Типове зображення острівців графена, T=800 K. Параметри тунелювання: a) V= 1,25 В, I = 0,2; b) V = 1,25 В, I = 0,1.

При досить великій довжині дифузії (середній відстані між молекулами C60 у 15±3нм) або такої швидкості дифузії кластерів, що вона обмежує агрегацію фрагментованих молекул С60 в листи, відбувається формування квантових точок. На рис. 3 показано формування GQD в процесі відпалу протягом 1 хв при температурі 725 К і концентрації фулерену 0,08 ML. Форма утворилися вуглецевих кластерів варіюється від майже правильного шестикутника (рис.3f), правильної трапеції (рис.3d) і паралелограма (рис.3с) до правильного трикутника (рис.3а,b). У цьому разноообразии форм і розмірів переважаючими є самі маленькі квантові точки у вигляді безформних шестикутників, чимось нагадують капелюшок гриба, розміром всього в 0,9 нм (див. вставка рис.3а). Подальший відпал при температурі До 825 призводить до зникнення дрібних утворень і утворення більш чітких форм у великих агломерацій, 30±2% з яких становлять правильні шестикутники (рис.3е).

Рис. 3. СТМ зображення квантових точок. a) 0,08 ML C60/Ru після відпалу при 725 К протягом 2 хв (на вставці збільшене зображення). b)-d) Збільшені зображення квантових точок у формі трикутника (b,2,7 нм), паралелограма (з, 2,7х4,2 нм), трапеції (2,7х4,8 нм). e)- f) Квантові точки у вигляді шестикутників (5 і 10 нм відповідно). g) Результати скануючої тунельної спектроскопії для b(I), c(II), d(III), e(IV), f(V), параметри для зображень a) і е) V=0,5 В, I=0,1; на вставках а) і е)V=0,3 В, I=0,2; для зображень b) і c) V=0,3 В, I=0,2; для зображень d) і f) V=0,3 В, I=0,1.

Як же відбувається формування вуглецевих кластерів на поверхні рутенія? В роботі провели чисельне моделювання адсорбції молекули С60 на поверхні п’ятишарового Ru(0001). На рис.4 показані можливі варіанти розташування молекули С60 на поверхні рутенія. Найбільш енергетично вигідною є адсорбція молекули С60 на місці вакансії.

Рис. 4. Розташування С60 на кристалічній решітці Ru. Верхня півсфера не показана, на останній картинці показаний випадок з вакансією – найбільш енергетично вигідний.

У цій конфігурації спостерігається мінімальна довжина зв’язку атомів вуглецю з найближчими атомами рутенію (рожево-чорні лінії на рис.5с і червона крива на рис.5d). При цьому в молекулі С60 подовжуються визначені З-Із зв’язку (їх довжина позначена червоними і синіми цифрами на рис.5d). Нижні півсфери молекул С60 в процес відпалу трансформуються в кластери, а верхні півсфери переходять у газову фазу і участі в утворенні квантових точок не приймають. Кристалічна решітка отриманих квантових точок належить до тригональної сингонії. На рис.6 показаний процес трансформації одного з таких кластерів. Передбачається, що GQD можуть знайти застосування в логічних елементах спінтроніки.

Рис. 5. Моделювання випадку з вакансією. а) СТМ зображення при Т=600 К, b) СТМ зображення при Т=650 К, с) Рожевим кольором показаний перший ряд атомів рутенія, синім – другий. Зелена стрілка вказує напрям погляду для малюнка d), на якому показані довжини С-С зв’язків нижньої півсфери молекули С60. На рисунку d) верхня півсфера не показана.

Рис. 6. Процес трансформації вуглецевих кластерів.

Результати досліджень опубліковані в статті:

Jiong Lu, Pei Shan Emmeline Yeo, Chee Kwan Gan, Ping Wu & Kian Ping Loh Transforming C60 molecules into graphene quantum dots. – Nature Nanotechnology. – 2011. – 6. – P. 247-252; doi:10.1038/nnano.2011.30; Published online 20 March 2011.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *