carbon nanotubes, graphene, self-assembled systems, infrared spectroscopy, transmission electron microscopy
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel
Physics 1
Department or equivalent
Experimental Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Botka, Bea Németh, Katalin Pekker, Áron Pekker, Sándor Szekrényes, Zsolt
Starting date
2013-05-01
Closing date
2016-10-31
Funding (in million HUF)
23.492
FTE (full time equivalent)
6.27
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Nemzetközi együttműködésben végzett kutatást tervezünk a Bécsi Egyetem és az MTA Wigner FK SZFI részvételével, olyan szénalapú rendszereken, amiket molekuláris állványzatok tartanak össze. Az állványokat új szénmódosulatok, grafén és szén nanocsövek, képezik, a vendégek pedig kis szerves molekulák, amelyek az állványokhoz nemkovalens (van der Waals vagy π-π) kölcsönhatással kapcsolódnak. A pályázat a nagyfelbontású elektronmikroszkópiában és a közeli terű infravörös spektroszkópiában az utóbbi időben történt fejlesztéseket használja ki. Mindkét laboratóriumban az ezen módszereket alkalmazó korszerű berendezések beállítása van folyamatban, ami az említett rendszerek szerkezeti és dinamikai tulajdonságainak atomi szinten való megértését segíti elő; a kettő összekapcsolása jelentős hozzáadott értéket képvisel. Kezdetben egyszerű mintaanyagokat tervezünk előállítani, a molekulák fémre, illetve grafitra történő adszorpciójával, majd továbblépünk a szénszerkezetű állványokon való adszorpció irányába. Utóbbi mintákat részben hagyományos kémiai módszerekkel állítjuk elő, részben in situ az elektronmikroszkópban. Mindkét módszerrel kapott hibrid rendszereket transzmissziós elektronmikroszkópiával és közeli terű infravörös spektroszkópiával vizsgáljuk, ezáltal néhány nanométeres térbeli és néhány millielektronvoltos spektrális felbontást érünk el. Az együttműködéstől jelentős előrehaladást várunk a többkomponensű molekuláris anyagok szerkezet-tulajdonság összefüggéseinek megértésében. Ez a tudás alapul szolgál célzott felhasználású új funkcionális anyagok előállításához.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Kétféle szénalapú molekuláris állványból (grafén és szén nanocsövek) és kis szerves vendégmolekulákból álló hibrid rendszerek jellemzését tervezzük. Az állványok a mechanikai stabilitást és az elektromos vezetőképességet biztosítják, a szerves molekulák pedig, könnyen változtatható tulajdonságaiknak köszönhetően, a kívánt funkcionalitást. Mielőtt az alkalmazásokon gondolkozunk, az első és legfontosabb lépés a hibrid rendszerek szerkezeti és spektroszkópiai vizsgálata nanométeres skálán és ezek kapcsolata a funkcionális tulajdonságokkal. Az alapvető kérdés, hogyan kapcsolódnak a vendégek az állványokhoz és milyen kölcsönhatások a legfontosabbak a két összetevő között. Az alábbi konkrét problémákkal tervezünk foglalkozni: Mi határozza meg a hibrid rendszerek szerkezetét, hogyan függ ez - az állvány görbületétől, - az állvány elektronszerkezetétől (fémes, félvezető), - más molekulák jelenlététől ugyanazon az állványon (pl. grafén esetében a réteg másik oldalán)? Hogyan befolyásolja a nem-kovalens kölcsönhatás a rezgési spektrumot? Hogyan kapcsolódik az elektronmikroszkópiával meghatározott térbeli eloszlás a közeli terű infravörös spektroszkópiával mért eloszláshoz? Hogyan lokalizálhatók a különféle funkciós csoportok a kétféle módszerrel? Meghatározhatók-e optimális módszerek az egyes funkciós csoportok kimutatására? A fent felsoroltak a két, önmagában is újdonságot jelentő módszer kombinációjához kapcsolódó alapkérdések, és meggyőződésünk, hogy a válaszok egyrészt hozzájárulnak az erről szóló tudásunk elmélyítéséhez, másrészt lehetővé teszik új, egyedi tulajdonságokkal rendelkező anyagok előállítását.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Atomi felbontású transzmissziós elektronmikroszkópia és 50 nm térbeli felbontású infravörös spektroszkópia összekapcsolásával a grafénalapú állványokból és szerves molekulákból álló hibrid rendszerek szerkezet-tulajdonság összefüggéseinek jobb megértését várjuk. Ez a tudás további, speciális funkcionalitással rendelkező, új anyagok előállításához segíthet hozzá.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Az utóbbi években egyre nagyobb felbontású, látványos képeket sikerült megfigyelni az anyagok legkisebb összetevőiről transzmissziós elektronmikroszkópia segítségével. Ezek a képek a molekulaszerkezet titkait közvetlenül a megfigyelő szeme elé tárják. Ugyanakkor, a legtöbb spektroszkópiai módszer molekuláris méretskálán is alkalmazhatóvá vált. Ma már meg tudjuk figyelni a molekuláris anyagok szerkezetét és ezzel együtt jellemezni tudjuk a molekulák közti kötések erősségét és típusát. Pályázatunk ilyen megfigyeléseket céloz meg két módszer segítségével: atomi felbontású transzmissziós elektronmikroszkópia, ami szerkezeti vizsgálatokat tesz lehetővé, és 50 nm felbontású közeli terű infravörös spektroszkópia, ami az elektronok és a rezgések energiaviszonyait érzékeli. A vizsgálni kívánt anyagok két összetevőből állnak: szén állványok, vagy néhány nanométer vastagságú rétegek (grafén), vagy néhány nanométer átmérőjű csövek (szén nanocsövek), és kis szerves molekulák, amik különböző célokra funkcionalizálhatók.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. We propose collaborative research between the University of Vienna and the Wigner Research Centre in Budapest on carbon-based structures held together by molecular scaffolding. Scaffolds consist of novel forms of carbon, graphene and carbon nanotubes, respectively, and guests are small organic molecules adhering to the scaffolds by noncovalent (van der Waals or π-π) interactions. The project builds on the recent advances in high-resolution electron microscopy and near-field optical spectroscopy. Both laboratories are in the process of installing state-of-the-art equipment which promises unique and novel insight into the structural and dynamical properties of these systems; combining the two will contribute significant added value to the project. We will prepare simple systems using metals and graphite as models of the scaffold first, and then proceed to molecules on nanosized carbon scaffolds prepared both by bulk chemical synthesis and in-situ in the electron microscope. These hybrid systems will be investigated by transmission electron microscopy and near-field infrared spectroscopy, yielding information with spatial resolution of a few nanometers and energy resolution of a few meV. From the collaborative effort we expect a direct advance in the understanding of structure-property relationships in these molecular composites. This knowledge will provide the basis for specifically targeted, functional materials with new properties.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. We attempt to characterize non-covalently bonded hybrids consisting of two types of carbon-based systems: graphene or carbon nanotubes as scaffolds, and small organic molecules as guests. The scaffolds produce the mechanical and electrically conductive support, and the organic molecules provide the functionality due to their variable properties. The first and most important step is to establish the structural and spectroscopic information of these systems on the nanometer scale and to relate these to the functional properties. The basic question is how the guests adhere to the scaffolds and what interactions are most important between scaffold and guest. Specific problems to be addressed are the following: What determines the structure of the hybrids, how does the structure depend on - the curvature of the scaffold, - the electronic properties of the scaffold (metallic, semiconducting), - other molecules on the same scaffold (in case of graphene, on the opposite surface)? How does the non-covalent bonding influence the vibrational properties? How can the spatial distribution determined by electron microscopy be correlated to that based on local infrared spectroscopy? How can specific functional groups be located by any of the two methods? Are there optimal methods to detect individual functional units? These are fundamental questions related to the novelty of using these two approaches in combination and we are convinced that the answers will add to our knowledge and help to produce and identify new materials with individually tailored properties.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. From the correlation of atomic resolution transmission electron microscopy and 50 nm resolution near-field infrared spectroscopy we expect a direct advance in the understanding of structure-property relationships in molecular composites built from graphene-based scaffolds and organic molecules. This knowledge will provide the basis for specifically targeted, functional materials with new properties.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Over the last years, spectacular images of the smallest ingredients of matter were observed by high-resolution transmission electron microscopy, directly revealing the secrets of molecular structure to the eye. At the same time, many spectroscopic methods found their counterpart on the molecular scale. We now are able to "see" the structure of molecular materials and at the same time establish the strength and type of bonding between them. Our proposal targets such investigations by two methods: atomic resolution transmission electron microscopy for structural information, and 50 nm resolution near-field infrared spectroscopy for detecting electronic and vibrational energies. The materials to be investigated are composed of two ingredients: a carbon scaffold, either layers a few nanometers thick (graphene), or tubes a few nanometers in diameter (carbon nanotubes), and small organic molecules which can be tailored to various functionalities.
Final report
Results in Hungarian
A projekt alapját egy infravörös közelitér-mikroszkóp (s-SNOM) képezte, ezt installáltuk és fejlesztettük tovább spektroszkópiai alkalmazásra, melynek során 20 nm-es térbeli felbontás mellett 2 cm-1 spektrális felbontást értünk el. A berendezés kipróbálása során szén nanocsövek elektronszerkezet szerinti megkülönböztetését, valamint bórnitrid nanocsövek lokális infravörös spektrumának mérését végeztük el. A továbbiakban közeli terű infravörös fénnyel működő módszereket (gyengített totálreflexió (ATR) és az említett s-SNOM) alkalmaztunk olyan hibrid szerkezetek vizsgálatára, amelyek egy hordozóból (állvány) és ahhoz rögzített funkcionális csoportokból állnak. Ezek az anyagok szén nanocsővel, grafénnel és bórnitrid nanocsővel kombinált fullerének, felületén szerves csoportokkal funkcionalizált nanokristályos szilíciumkarbid, karboximetil oldalcsoportokat tartalmazó ultravékony dextrán rétegek szilícium hordozón, valamint ólomjodid alapú perovszkit típusú napelem-alapanyagok.
Results in English
During the project, we installed a near-field infrared scattering scanning near-field optical microscope (s-SNOM) instrument and upgraded it to perform spectroscopic measurements with 2 cm-1 spectral resolution and 20 nm spatial resolution. We tested the system to detect the electronic character of carbon nanotubes and to obtain local infrared spectra of boron nitride nanotubes. We applied near-field infrared spectroscopic methods: attenuated total reflectance (ATR) and s-SNOM, to various hybrid materials consisting of a substrate (scaffold) and functional groups attached to it. The hybrid materials studied were fullerenes attached or encapsulated to carbon and boron nitride nanotubes and graphene, nanocrystalline silicon carbide modified with surface organic groups, ultrathin carboxymethylated dextran layer grafted to silicon, and lead-iodide based perovskite solar-cell materials.
Nemeth G, Datz D, Tohati HM, Pekker A, Kamaras K: Scattering near-field optical microscopy on metallic and semiconducting carbon nanotube bundles in the infrared, PHYS STAT SOL B BASIC RES 253: (12) 2413-2416, 2016
Pekker Á, Németh G, Botos Á, Tóháti HM, Borondics F, Osváth Z, Biró LP, Walker K, Khlobystov AN, Kamarás K: Cloaking by π-electrons in the infrared, PHYS STAT SOL B BASIC RES 253: (12) 2457-2460, 2016
Horváth E, Spina M, Szekrényes Z, Kamarás K, Gaal R, Gachet D, Forró L: Nanowires of Methylammonium Lead Iodide (CH3NH3PbI3) prepared by low temperature solution-mediated crystallization, NANO LETT 14: (12) 6761-6766, 2014
Szekrényes Zs, Somogyi B, Beke D, Károlyházy Gy, Balogh I, Kamarás K, Gali A: Chemical Transformation of Carboxyl Groups on the Surface of Silicon Carbide Quantum Dots, J PHYS CHEM C 118: (34) 19995-20001, 2014
