Vật liệu 2D bao gồm các cấu trúc có kích thước thấp và chúng thể hiện triển vọng đáng kể trong nhiều lĩnh vực như điện tử, truyền thông, cảm biến quang, hấp thụ khí, xúc tác và nhiều ứng dụng khác vẫn đang được khám phá. Graphene, một lớp nguyên tử carbon đơn lẻ, là một trong những vật liệu 2D được biết đến rộng rãi hơn. Tuy nhiên, một số vật liệu khác đang được nghiên cứu để sử dụng trong việc tạo ra các sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp thế hệ tiếp theo.
Ví dụ, 2D boron nitride đang được khám phá về các đặc tính dẫn nhiệt và dẫn điện của nó để sử dụng làm chất điện môi, trong vật liệu điện phân trạng thái rắn cho pin nhiên liệu và cho lớp phủ chuyên dụng. Molypden disulfide thể hiện tính chất bán dẫn khi được sản xuất dưới dạng một lớp duy nhất và đang được nghiên cứu để sử dụng trong mạch linh hoạt có thể được sử dụng làm vật liệu “smart” e-textile có thể uốn cong được. Và các khung kim loại hữu cơ (MOF) có khả năng hấp thụ mạnh khi chúng tương tác với các phân tử “guest”, khiến chúng trở thành loại vật liệu tối ưu cho lưu trữ và tách khí, xúc tác không đồng nhất và siêu tụ điện.
Độ phân giải nguyên tử của vật liệu 2D
Theo định nghĩa, vật liệu 2D có độ dày một lớp nguyên tử hoặc có thể là một chồng gồm một vài lớp. Do đó, việc mô tả đặc điểm của các vật liệu này đòi hỏi các kỹ thuật phân tích có khả năng khám phá ở cấp độ nguyên tử.
Khi các nhà khoa học nghiên cứu các đặc tính chi tiết của vật liệu 2D, họ sẽ sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua quét(STEM) có độ phân giải cao cùng với độ tương phản pha vi sai tích hợp (iDPC) để có được thông tin cấp độ nguyên tử. Họ cũng đang sử dụng máy quang phổ điện tử tia X (XPS) kết hợp với quang phổ Raman để phân tích bề mặt chi tiết.
Quang phổ quang điện tử tia X (XPS)
NEXSA – Hệ thống quang phổ quang điện tử tia X của Thermo Fisher là hệ thống XPS duy nhất có thể đồng thời áp dụng quang phổ phân tử trên cùng một điểm bằng cách sử dụng máy quang phổ Raman tích hợp. Raman đặc biệt hữu ích trong việc mô tả graphene và các dạng thù hình carbon khác, nhưng cũng đóng vai trò bổ sung cho XPS.
XPS đo năng lượng liên kết các electron với hạt nhân của nguyên tử khi bị đẩy ra bởi một lực bên ngoài như tia X. Vì hầu hết các electron đều bị hấp thụ trở lại vật liệu nên chỉ có thể đo được các electron quang điện ở trên cùng, khiến XPS trở thành một trong những kỹ thuật nhạy nhất với bề mặt hiện có. Khi xác định động năng của electron quang điện bị đẩy ra, các nhà nghiên cứu có thể hiểu được các nguyên tố nào có trong bề mặt mẫu, mức năng lượng mà electron chiếm giữ cho biết cấu hình điện tử của nó và ảnh hưởng của các nguyên tố khác liên kết với nguyên tử đang xét, cho biết trạng thái hóa học của nó như quá trình oxy hóa.
Quang phổ Raman
Phổ Raman đo sự chuyển đổi của các phân tử khi chúng bị kích thích bởi ánh sáng, được gọi là hiệu ứng Raman. Khi quan sát mô hình dao động của mẫu trong quang phổ các đỉnh ở một số sóng nhất định, các nhà khoa học có thể xác định thành phần phân tử của vật liệu bằng cách nhận ra các đỉnh quang phổ hoặc bằng cách khớp dữ liệu từ thư viện quang phổ. Raman có lợi thế hơn các kỹ thuật dao động khác ở chỗ nó có thể phát hiện ra sự khác biệt trong cấu trúc vật lý của vật liệu, chẳng hạn như xác định các pha đa hình. Đo cường độ của các đỉnh quang phổ cho biết thể tích của các phân tử để định lượng, cho phép các nhà nghiên cứu xác định độ dày lớp.
Kính hiển vi điện tử
Kính hiển vi điện tử truyền qua đòi hỏi các mẫu được chuẩn bị thành các lớp mỏng để truyền các electron hình ảnh vào máy dò. Các vật liệu nano như MOF rất nhạy với năng lượng electron có thể phá hủy mẫu hoặc làm hỏng cấu trúc ban đầu của mẫu. Do đó, cần áp dụng điện áp năng lượng cực thấp.
Chụp ảnh trường tối hình khuyên góc cao (HAADF) là một kỹ thuật thường được sử dụng cho STEM. Nó có thể tạo ra hình ảnh chất lượng cao ở liều lượng cực thấp mà không phá hủy mẫu. Tuy nhiên, nó không thể xác định các nguyên tố nhẹ hơn trong mẫu, hạn chế khả năng tiếp cận oxy, carbon hoặc nitơ có thể tìm thấy trong vật liệu nano. Hệ thống STEM độ phân giải cao Spectra 200 và Spectra 300 có hệ thống phát hiện STEM Panther, bao gồm căn chỉnh cơ học và hình học máy dò được tối ưu hóa để thu thập nhiều tín hiệu và độ chính xác căn chỉnh cơ học.
Hình ảnh tương phản pha vi sai tích hợp (iDPC) được sử dụng trên Spectra STEM để nghiên cứu các đặc tính từ tính và điện và để tối ưu hóa hình ảnh tương phản Z từ hydro đến urani. Kết hợp với hệ thống phát hiện STEM Panther, hình ảnh iDPC cho phép mô tả đầy đủ các cấu trúc 2D cho các mẫu như MOF thường bị hư hỏng khi tiếp xúc với chùm electron trong thời gian ngắn.
Khi thị trường vật liệu 2D toàn cầu tiếp tục phát triển, các nhà khoa học đang chuyển sang các kỹ thuật kính hiển vi mạnh mẽ như STEM, iDPC, XPS và quang phổ Raman để xác định các đặc tính chi tiết của vật liệu 2D.
Nguồn: https://www.thermofisher.com/blog/materials/analyzing-2d-materials-at-the-atomic-scale
Minh Khang là nhà phân phối và nhập khẩu trực tiếp các thiết bị Quang phổ quang điện tử tia X (XPS) và Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) hãng Thermo Fisher
EN