周五,許秋帶著莫文琳,再次進行了IDIC樣品的激子結合能測試,測試方法和昨日的ITIC樣品一樣,低溫螢光發光實驗。
第二次測試,同樣是一次就成功,不過消耗的時間並沒有減少太多,從早上九點多開始,一直忙活到下午六點,終於拿到了結果。
結果表明,IDIC的激子結合能為112毫電子伏特,在數值上,與ITIC的117毫電子伏特相當。
基於這兩次的結果,加上之前進行的DFT模擬得到的HOMO/LUMO能級在分子上的分布圖,許秋大概有了一個猜想:
「ADA非富勒烯受體材料低激子結合能的性質,或許是A-D-A這種分子結構所致。
在分子中產生的激子,正電荷會集中在D單元上,負電荷會集中在A單元上,從而導致正負電荷在分子內部便可以實現初步的拆分,降低使其完全拆分成自由電荷所需的能量,表觀現象即激子結合能較低。」
這個猜想要驗證的話,難度就比較大了。
想要直接證明幾乎不可能,只能通過大量測試不同ADA非富勒烯受體材料的激子結合能數據,進行佐證。
其中,一旦出現一個反例,這個猜想就會被推翻,或者需要修改表述、打補丁。
這也很正常。
畢竟科學的本質,就是不斷的建立理論、推翻理論、完善理論嘛。
就像最初牛頓三大定律的建立一樣,在宏觀、低速世界是成立的。
但到微觀、高速世界就不成立了,因此後面就有了量子力學以及相對論分別進行補充,這些理論也共同構築了近現代物理系大廈的基石。
當然,這些也都是現在的理論,或許未來還會被繼續推翻、完善。
畢竟人類都是肉眼凡胎,沒有X光眼,本身也沒辦法近光速運動,那麼對於微觀、高速級別的東西,就很難說的准到底是什麼樣子。
就算靠儀器測試,難道儀器顯示的數據就一定是真的嗎?
進一步,我們直接觀察到的東西就一定是真的嗎?
這種事情不能深想,因為想到最後,難免就會陷入無限循環的懷疑之中。
確實很多東西都無法被證明,也無法被證偽。
這或許也是外國科學家大多皈依宗教,而且還有人提出「科學的盡頭就是神學」的原因。
探索的越多,越接近認知的邊界,可能越覺得需要一個絕對的「造物主」來支撐這一切的存在。
周日,許秋開始著手另外一項激子擴散距離的測試。
這個測試的方法比較多,前幾天,他通過檢索文獻,一共找到四種方法,最終選擇了採用高定向熱解石墨(HOPG)襯底,來測試螢光信號的方法。
原因也很簡單,這個實驗操作,魏興思之前在漂亮國的時候就進行過,許秋直接複製了魏老師的技能,熟練度中規中矩吧,四階0%,可能的原因是當時魏老師實操的次數不多,或者由於長時間不在一線進行實驗,熟練度不升反降。
但不管怎麼說,哪怕只有二階三階的熟練度,相比於其他方法,都是強很多的,畢竟許秋有系統嘛,系統影像總比參考文獻上的文字說明要形象的多。
消耗若干積分後,許秋查看了五階100%「HOPG法測試激子擴散距離」的實驗操作。
操作方法看起來並不難,只需要將樣品旋塗在HOPG上,然後測試不同厚度樣品的螢光信號,最後進行擬合即可。
實驗原理也比較簡單,光電材料在收到光照後產生的激子,一旦擴散到HOPG表面上,將有99%以上的概率被淬滅,其中蘊含的能量以熱量的形式被釋放,而如果激子在擴散到HOPG表面之前就已經複合,那麼將發出螢光信號。
換句話說,假如材料的激子擴散距離比較遠,比如在100納米以上,那麼對10納米左右的樣品薄膜來說,螢光信號將幾乎為0,因為激子平均能擴散100納米,而薄膜只有10納米,在這個過程中,激子移動到邊界HOPG的位置的概率非常高,激子都被HOPG給「吃」了,自然無法產生螢光信號。
反之,如果激子擴散距離比較近,比如10納米,那麼10納米左右的薄膜,自然是能夠產生螢光信號的,此時的螢光淬滅效率大約為50%,也就是發光強度為正常強度的一半。
下午,許秋提前買好的HOPG,已經被快遞送到材一2樓的門房。
HOPG指的是熱解石墨是經高溫處理,性能接近單晶石墨的一種新型石墨。
顧名思義,這種這種石墨是高度取向的,可以通過實驗操作得到非常光滑的高導電率表面,該表面可以在掃描隧道顯微鏡中檢查,或者用作其他正在研究的材料的襯底。
根據HOPG的鑲嵌角(馬賽克擴散角)的不同,可將其分為A、B、C三個等級。
A級的鑲嵌角最小,通常在0.5度左右,品質最好,也最接近單晶的性質,當然價格也最貴。
C級的鑲嵌角最大,通常在1.5度以上,品質最差,但價格最便宜。
B級的鑲嵌角介於A和C之間,通常在0.8度左右。
許秋在網上貨比三家,最終找了一家國內的HOPG廠家。
他們賣的最小的尺寸是長寬高10*10*1毫米,也就是一平方厘米的面積,一毫米的高度。
這樣的規格,A級的就要2000塊,C級的只要700塊。
如果規格更大一些,比如長寬高20*20*1毫米,A級的就要8000塊,當然C級的也要4000塊,如果是長寬高20*20*2毫米的,價格就要上萬了。
當然,別看它規格小,買回來一小塊HOPG,就可以用幾十次、上百次,不然這玩意要是一次性的話,誰都用不起。
畢竟許秋測試一個體系的激子擴散距離,樣品就要準備十幾個。
感慨了一下科研圈的物價,許秋最終選擇了最小規格的C級HOPG,先用700塊的便宜貨試試水唄。
理論上,他現在進行的是普通的螢光測試,主要利用的就是石墨對激子的淬滅效應,對襯底的要求應該不似掃描隧道顯微鏡那麼高。
許秋從門房取到快遞,看著快遞盒,隨口吐槽了一句,「這快遞盒好隨意,就是普通的小紙盒。」
隨後,他戴好一次性PE手套,開始拆快遞,裡面有一個離心管,HOPG用紙包著放在內部。
拆開包裝紙,到手的HOPG和之前在網上看到的描述差不多,10*10*1毫米的規格,一面是暗灰色,另一面是亮灰色。
其中暗灰色一面是反面,亮灰色的一面就是正面。
HOPG的模樣很像是一枚晶片,或者早期手機里SD存儲卡。
不過,許秋知道這玩意就是高純度的碳。
石墨嘛,就是碳單質。
HOPG到手,接下來就是樣品製備。
不過,在旋塗樣品之前,需要對「厚厚」的HOPG表面進行剝離,得到具有新鮮的、具有光滑表面的襯底。
有一些非主流的方法,比如用鑷子直接剝離,這個難度就比較大了,很容易破壞HOPG表面。
比較主流的方法是用膠布直接粘在HOPG上面,然後再撕開。
雖然這個方法相對比較安全,但許秋也沒有貿然在現實中進行嘗試,而是先到模擬實驗室中,用3M膠布試了一番。
剛開始的時候,會出現表面不平整,或者說倒刺的現象。
在反覆嘗試多次後,許秋終於掌握了技巧。
那就是讓膠布按壓的儘量緊密、均勻一些,這樣得到光滑表面的概率比較大,因為如果有部分沒有被粘到,就會留在原來HOPG主體的表面上,形成倒刺。
經過剝離之後,膠布上就會有一層破碎的石墨片層,HOPG母體上則形成新鮮、光滑的表面。
這種用膠布粘的方法,聽起來比較「土」,沒那麼高大上,不是很科研,但恰恰就是當初最早發現的石墨烯的製備方法。
2004年,大不列顛曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫兩位教授,用膠帶粘在石墨上,然後撕下來,發現膠帶上粘上了一層薄薄的石墨片。
這本沒有什麼新奇的,但他們突發奇想,拿著第二片膠帶去粘第一片膠帶上殘留的石墨薄片,此時兩片膠帶粘在了一起,然後再把兩片膠帶撕開,結果發現膠帶上殘留的石墨片變薄了。
這時候很多人會覺得無聊,不就是撕膠帶嘛,而這兩位教授發現石墨片變薄後,又拿著第三塊膠帶來粘第二塊膠帶上的石墨,再用第四膠帶來粘三片膠帶……
就這樣一次又一次的粘膠帶,撕膠帶,最終他們得到了薄得不能再薄的微小的石墨片,它僅僅只有一層原子的厚度。
這就是單層的石墨,也被稱為石墨烯。
在單層石墨烯誕生以後,很多科學家都在積極探索能夠生產更大規模和更高質量的石墨烯。
除了用膠帶粘以外,現在還有很多其它的石墨烯製備方法,如微機械剝離法、化學剝離法、化學氣相沉積法等。
而且,石墨烯令人驚嘆的材料性質,也引起了近十多年來大量科學家的廣泛研究。
最終,那兩位教授也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。