פילינג אלקטרוכימי לייצור זרחן שחור איכותי

אנו מציגים הליך שלב אחר שלב לקילוף אלקטרוכימי של זרחן שחור (BP), אחד החומרים הדו-ממדיים המבטיחים ביותר המתפתחים עם יישומים באלקטרוניקה (אופטו), מגבישי התפזורת שלו, כמו גם האפיון המורפולוגי על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, מיקרוסקופ כוח אטומי ומיקרוסקופ אלקטרונים הולכה.

כדי להשיג חומרים דו-ממדיים (2D) איכותיים מהגבישים המגושמים, דלמינציה תחת גירוי מבוקר חיצוני היא קריטית. פילינג אלקטרוכימי של חומרים שכבתיים דורש מכשור פשוט אך מציע חומרי פילינג דו-ממדיים באיכות גבוהה עם תפוקות גבוהות וכולל יכולת הרחבה פשוטה; לכן, הוא מייצג טכנולוגיית מפתח לקידום מחקרים בסיסיים ויישומים תעשייתיים. יתרה מכך, יכולת עיבוד הפתרון של חומרים דו-ממדיים פונקציונליים מאפשרת ייצור של התקני אלקטרוניקה ואנרגיה ( אופטו) באמצעות טכנולוגיות הדפסה שונות כגון הדפסת הזרקת דיו והדפסת תלת מימד. מאמר זה מציג את פרוטוקול הפילינג האלקטרוכימי לסינתזה של זרחן שחור (BP), אחד החומרים הדו-ממדיים המבטיחים ביותר, מגבישי התפזורת שלו באופן שלב אחר שלב, כלומר, פילינג אלקטרוכימי קתודית של BP בנוכחות N(C₄H₉)₄∙HSO₄ בפרופילן קרבונט, הכנת פיזור על ידי סוניקציה וצנטריפוגה לאחר מכן להפרדת פתיתים, ואפיון מורפולוגי על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM), מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) ומיקרוסקופ אלקטרונים הולכה (TEM).

בשל תכונותיהם המכניות, החשמליות והאופטיות המעולות בהשוואה לאנלוגים בתפזורת השכבתית שלהם, חומרים דו-ממדיים משכו תשומת לב רבה בקרב הקהילה המדעית. בהיותו קודמו והנחקר ביותר מבין כל החומרים הדו-ממדיים מזה כמה עשורים, הגרפן עדיין נמצא באור הזרקורים של תגליות חדשניות כגון ממברנות¹, חיישנים², זרזים³, טכנולוגיות אנרגיה⁴, התקנים ספינטרונים טופולוגיים⁵ ופיזיקה של חומר מעובה⁶. בהשראת זה, חומרים דו-ממדיים רבים אחרים סונתזו ונחקרו, כגון כלקוגנידים מתכתיים⁷, הידרוקסידים כפולים שכבתיים⁸ ובורון ניטריד⁹. כולל התוספות החדשות ביותר למשפחת החומרים הדו-ממדיים (כלומר, זרחן¹⁰), MXenes (קרבידי מתכת דו-ממדיים או ניטרידים)¹¹, ופולימרים דו-ממדיים (מתכת דו-ממדית/מסגרות אורגניות קוולנטיות חד-שכבתיות/מעטות)^12,13, משפחת החומרים הדו-ממדיים גדלה ומורכבת מיותר מ-150 חברים הכוללים מבודדים פנימיים, מוליכים למחצה, מתכות למחצה ומתכות¹⁴.

החומרים הדו-ממדיים המתהווים, כגון BP 15,16,17,18,19,20,21,22, מוליבדן דיסולפיד (MoS ₂)23,24,25,26, וסלניד אינדיום (III) (_ב-2Se 3)27,28,29 הראו פוטנציאל ניכר בתגליות מדעיות;, עם זאת, כדי להרחיב את התכונות הפיזיוכימיות המצוינות שלהם לקנה מידה מקרוסקופי, יש צורך בדחיפות בשיטות יעילות, ניתנות לשחזור ובעלות נמוכה. פילינג אלקטרוכימי הוא גישה מבטיחה לייצור יוקרתי של חומרים דו-ממדיים כאלה^30,31, בעיקר בשל העובדה שהוא יכול לספק קשקשי גרם של חומרי פילינג איכותיים וניתנים לפיזור תוך דקות עד מספר שעות בשל אינטרקלציה יעילה של יונים תחת הכוח החשמלי.

הסרטון הנלווה מדגים את הייצור שלב אחר שלב של פיזור BP, אחד החומרים הדו-ממדיים המתפתחים המבטיחים ביותר עם יישומים באלקטרוניקה (אופטו), באמצעות פילינג אלקטרוכימי, ואחריו סוניקציה וצנטריפוגה להפרדת פתיתים מחלקיקים לא מקולפים, הכנת פיזור של פתיתי BP מקולפים בממיסים שונים, ואפיון מורפולוגי על ידי SEM, AFM ו-TEM.

הערה: עיין בטבלת החומרים לקבלת פרטים הקשורים לחומרים ולציוד המשמשים בפרוטוקול זה.

1. סינתזה של זרחן שחור (BP) על ידי פילינג אלקטרוכימי

1. קוצצים את החתיכות הגדולות של גביש BP לחתיכות קטנות של ~1-2 מ"מ (≤5 מ"ג) וכולאים אותן בתוך גזה פלטינה שתשמש כקתודה.
2. חותכים חתיכת נייר כסף פלטינה במידות ~^{2 ס"} מ 2 כדי לשמש כאנודה ומקבעים אותה בצורה שהיא פונה לקתודה ונמצאת במרחק של 2 ס"מ ממנה.
3. להכנת האלקטרוליט, הכינו תמיסה טרייה של 0.1 M tetra-n-butyl-ammonium bisulfate (TBA· HSO₄) בפרופילן קרבונט (השתמש בממס נטול מים ונטול גז). מלאו את התא האלקטרוכימי עד שרמת הממס תגיע לפחות ל-5 מ"מ מעל החלק העליון של האלקטרודות (איור 1C).
4. הפעילו פוטנציאל DC של -8.0 V כדי להתחיל את הדלמינציה. כדי למנוע השפלה במהלך הפילינג, בצע את כל התהליך באווירה אינרטית (למשל, בתוך תא כפפות מתחת לארגון או חנקן).
   הערה: אין צורך בטיהור רציף של האלקטרוליט על ידי גזים אינרטיים.
5. עם השלמת הדלמינציה (ודא שאין עוד ייצור גלוי של לחץ דם מורחב), העביר את כל האלקטרוליט, כולל פתיתי לחץ הדם המקולפים והחלקיקים הגדולים יותר שלא עברו פילינג, לתוך צינור צנטריפוגה של 50 מ"ל.
6. צנטריפוגה ב-5,292 × גרם ב-15 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות. השליכו את האלקטרוליט, הוסיפו למשקעים 35 מ"ל פרופילן קרבונט טרי ונערו אותו בעדינות. חזור על תהליך הצנטריפוגה והכביסה פי 2 עם פרופילן קרבונט ו-2x עם הממס הסופי לבחירה (למשל, 2-פרופנול, N,N-dimethylformamide [DMF], או N-methyl-2-pyrrolidone [NMP]).
7. הוסף 5-50 מ"ל מהממס הרצוי למוצרים המשקעים (תלוי בטווח הריכוזים הנדרש) וסוניקציה של תערובת המוצר המתקבלת באמבט סוניקציה מקורר קרח למשך 10 דקות.
8. צנטריפוגה את התערובת ב-5,292 × גרם ב-15 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות כדי להסיר את פתיתי ה-BP בשכבות העבות.
9. שפכו את הסופרנטנט המכיל את פתיתי הלחץ דם החד-שכבתיים והמעטים (<10 שכבות) למיכל נקי ושמרו אותו בתא הכפפות להמשך אפיון או ייצור מכשירים.
10. חשב את תפוקת הדלמינציה (η) באמצעות נוסחת התשואה הגרבימטרית המיוצגת על ידי משוואה (1):
    η = m₁/m₂ × 100% (1)
    כאשר m₂ מייצג את המסה של גביש ה-BP ההתחלתי ו-m₁ את המשקל של פתיתי ה-BP המפוזרים.
11. כדי לקבוע m₁, מדוד את משקל הלחץ דם שנאסף מסינון הוואקום של נפח מסוים של פיזור לחץ הדם (למשל, 0.5 מ"ל). השתמש בקרום פוליטטרפלואורואתילן (PTFE) (גודל נקבוביות של 0.2 מיקרומטר) לסינון ואקום.
12. לאחסון לטווח ארוך, סגור את מכסה בקבוק המיכל ושמור אותו בתוך תא הכפפות (עד 3 חודשים).

2. הכנה לדוגמה לאפיון על ידי SEM, SEM-EDS, AFM ו-TEM

הערה: כדי לחקור את ההיבטים האיכותיים והמורפולוגיים של נתזי ה-BP המסונתזים, יש צורך לבצע אפיונים כגון SEM³² (לחקר מורפולוגיה פני השטח של נתזי ה-BP), SEM-EDS³³ (לניתוח יסודות של הנתזים), AFM^34,35 (לניתוח העובי והגודל הרוחבי של הנתזים) ו-TEM^{36, 37} (לאיתור הפגמים המבניים, הצורה והגודל של נתזי לחץ הדם). פרוטוקולי הכנה לדוגמה לטכניקות האפיון שהוזכרו לעיל מוסברים להלן (סעיפים 2.1-2.4). לנהלים תפעוליים של טכניקות האפיון שהוזכרו לעיל, עיין בהפניות המצוטטות 32,33,34,35,36,37.

1. הכנה לדוגמא לאפיון ע"י SEM
   1. גזרו חתיכה קטנה (במידות סביב 5-7 מ"מ) של פרוסת סיליקון.
   2. נקה את חתיכת פרוסת הסיליקון באמצעות אצטון, מתנול ומים ברציפות. לאחר מכן, יבש את המצע על ידי ניפוח אוויר דחוס או חנקן מעליו.
   3. הכן פיזור מדולל של 0.5 מ"ל של פיזור לחץ הדם שהוכן בסעיף 1 על ידי תוספת של איזו-פרופנול נטול מים כדי להגיע לריכוז של ~0.01 מ"ג/מ"ל.
   4. סובבו 1-2 טיפות של הפיזור המדולל המוכן על המצע הנקי והיבש בתא הכפפות ותנו לו להתייבש על פלטה חמה בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס למשך 6 שעות (בתא הכפפות). לאחר הקירור לטמפרטורת החדר, השתמש בדגימה לאפיון.
2. הכנה לדוגמא לאפיון על ידי SEM-EDS
   1. בצע את ההליך המוזכר בסעיף 2.1; עם זאת, הכינו פיזור מרוכז יותר של ~0.1 מ"ג/מ"ל במקום זה שהוזכר בשלב 2.1.3.
3. הכנה לדוגמא לאפיון ע"י AFM
   1. בצע את ההליך המוזכר בסעיף 2.1; עם זאת, השתמש בפרוסות תחמוצת סיליקון במקום פרוסת הסיליקון המוזכרת בשלב 2.1.1.
4. הכנה לדוגמא לאפיון ע"י TEM
   1. הכן את הפיזור המדולל של BP כמוסבר בסעיף 2.1.3.
   2. טיפה הטילה טיפה אחת של הפיזור על רשתות הפחמן. השתמש בדגימה לאפיון על ידי TEM לאחר ייבושה באווירת ארגון תא הכפפות (ללא חימום נוסף) למשך 24 שעות.

איור 1 מדגים את הפילינג האלקטרוכימי של גבישי BP, מנגנון האינטרקלציה של TBA· HSO₄ והדלמינציה שלאחר מכן, והגדרת תאי התגובה.

איור 1: הדגמה סכמטית של מנגנון הפילינג האלקטרוכימי של גבישי זרחן שחור ומערך התגובה. (A) פילינג אלקטרוכימי של גבישי BP, (B) מנגנון האינטרקלציה של TBA· HSO₄ והדלמינציה שלאחר מכן, ו-(C) מערך תאי התגובה. נתון זה שונה מ-Yang et ^al.15. זכויות יוצרים 2018, ג'ון ווילי ובניו. קיצורים: BP = זרחן שחור; יפורסם בהמשך· HSO₄ = טטרה-n-בוטיל-אמוניום ביסולפט. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

לקטיוני אמוניום רבעוניים, כגון קטיון טטרמתילאמוניום (TMA⁺ 0.56 ננומטר), קטיון טטרה-אתילאמוניום (TEA⁺ 0.67 ננומטר) וקטיון טטרה-בוטילאמוניום (TBA⁺ 0.83 ננומטר)³⁸, יש קוטר גדול יותר מהמרווח הבין-מישורי של BP (d = 0.53 ננומטר). כתוצאה מכך, כאשר מופעל פוטנציאל של -8.0 וולט, גבישי ה-BP הכלואים בתוך גזה Pt מתרחבים ומתחילים למצוא את דרכם החוצה מגזה Pt לתוך תמיסת האלקטרוליטים יחד עם היווצרות בועות קלות תוך זמן קצר של 15 דקות בתמיסה של TBA· HSO₄ (איור 2). לעומת זאת, TMA· HSO₄ ותה· HSO₄ מביא להרחבה נמוכה יותר הנמשכת יותר משעה.

איור 2: פילינג אלקטרוכימי של גבישי BP. פילינג אלקטרוכימי של גבישי BP ב-0.1 M TBA· HSO₄ בפרופילן קרבונט ב -8.0 וולט לאורך 60 דקות. נתון זה אומץ מ-Yang et ^al.15. זכויות יוצרים 2018, ג'ון ווילי ובניו. קיצורים: BP = זרחן שחור; יפורסם בהמשך· HSO₄ = טטרה-n-בוטיל-אמוניום ביסולפט. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

מבלי להפעיל את הפוטנציאל החשמלי, קטיונים TBA⁺ , הגדולים מ-TMA· HSO₄ ותה· HSO₄ ובעלי צפיפות מטען נמוכה יותר אינם יכולים להשתלב בגבישי BP¹⁵. התשואות של דלמינציה של BP בתמיסה של TBA· HSO₄ בפרופילן קרבונט, כאלקטרוליט, בפוטנציאלים ומולריות שונות מודגמים באיור 3.

איור 3: תפוקת הדלמינציה ב-TBA· HSO₄ בתמיסת פרופילן קרבונט. מניב בפוטנציאלים מיושמים שונים (A) ו-(B) ריכוזים שונים של האלקטרוליט. נתון זה שונה מ-Yang et ^al.15. זכויות יוצרים 2018, ג'ון ווילי ובניו. קיצור: TBA· HSO₄ = טטרה-n-בוטיל-אמוניום ביסולפט אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

אחד היתרונות של הפילינג האלקטרוכימי המוצג הוא האפשרות לייצר פיזור של פתיתי BP בסדרה של ממיסים רצויים (למשל, 2-פרופנול, DMF, NMP) בריכוזים הרצויים (10-100 מיקרוגרם מ"ל^─1), בהתאם ליישום הממוקד. על ידי תוספת של פחות ממס בשלב הסוניקציה, ניתן להשיג פיזור מרוכז יותר (עיין בסעיף פרוטוקול 1.7). בשל חוסר היציבות הכימית של לחץ דם פילינג, מומלץ להשתמש בממיסים בעלי נקודת רתיחה נמוכה, כגון 2-פרופנול (המקל על הסרת הממס בטמפרטורות נמוכות יותר). פיזור של BP ב-2-פרופנול יציב עד 3 ימים.

איור 4A,B מדגים את תמונות ה-SEM של פתיתי לחץ דם עם צורות לא סדירות ופיזור גודל רחב (≥2 מיקרומטר בממוצע, ובמקרים מסוימים, 20.6 מיקרומטר). ניתוח סטטיסטי של יותר מ-300 נתזים (איור 4H) חשף התפלגות גודל דו-מודאלית עם מצבים בקורלציה ל-1.2 מיקרומטר² ו-3.9 מיקרומטר². ניתן לייחס זאת לתהליך הפיצול הצדדי כאשר נתזים גדולים יותר נשברים לשברים קטנים יותר. יותר מ-70% מהנתזים הם בגודל של כ-10 מיקרומטר²; ואילו במקרה של פילינג בשלב נוזלי, הממדים הממוצעים של פתיתי BP הם פחות מ-1.0 מיקרומטר² כתוצאה מהפיצול המתרחש במהלך תהליכי סוניקציה ארוכים וקשים (למשל, למשך 4 שעות)³⁹.

איור 4: מיקרוסקופיה של פתיתי לחץ דם. (A,B) תמונות SEM של פתיתי לחץ דם שהתקבלו על ידי פילינג אלקטרוכימי. (ג,ד) תמונות TEM של פתיתי לחץ דם, ו-(E) דפוס העקיפה שלהם. (F) תמונות TEM ו-(G) AFM ברזולוציה גבוהה של פתיתי לחץ דם. העוביים הנמדדים של שלושה נתזים אקראיים (2.3 ננומטר, 3.8 ננומטר ו-4.5 ננומטר) מודגמים. (H) ניתוח הגודל הרוחבי של נתזי BP בודדים שנבחרו באופן אקראי. (I) חישוב סטטיסטי של העובי הממוצע של פתיתי BP על פי נתוני AFM. נתון זה שונה מ-Yang et ^al.15. זכויות יוצרים 2018, ג'ון ווילי ובניו. פסי קנה מידה = (F) 1 ננומטר, (D) 0.5 מיקרומטר, (C) 1 מיקרומטר, (A,G) 2 מיקרומטר. קיצורים: BP = זרחן שחור; SEM = מיקרוסקופ אלקטרונים סורק; TEM = מיקרוסקופ אלקטרונים הולכה; AFM = מיקרוסקופ כוח אטומי. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

TEM שימש לחקירת המבנה הגבישי של יריעות BP. תמונות TEM מראות פתיתי לחץ דם דקים וגדולים (איור 4C,D). איור 4E ממחיש את דפוס העקיפה עם פאה 002 (המקבילה לקבוע סריג של 0.44 ננומטר) ו-200 פאה (המקבילה לקבוע סריג של 0.34 ננומטר). תמונת ה-TEM ברזולוציה גבוהה מדגימה סריג נטול-פגמים עם מבנה אורתוגונלי סימטרי (איור 4F), התואם את תכונות הגביש הפנימיות של לחץ דם בתולי. כפי שנקבע על ידי AFM (איור 4G), נתזי BP הם בעובי של 1.3-9.5 ננומטר. העובי הממוצע המשוער של נתזים המתקבל על ידי ספירת יותר מ-100 נתזים אקראיים הוא 3.7 ננומטר ±-1.3 ננומטר (המקביל ל-4-10 שכבות; איור 4I)¹⁵. ראוי לציין כי עבור פתיתי BP מעובדים בתמיסה, קיימת בדרך כלל אפשרות גבוהה להערכת יתר של הגבהים הנמדדים על ידי AFM עקב כמויות עקבות של ממיסים והסבירות להידבקות נימית⁴⁰. עם זאת, הכיסוי של פתיתי BP מפורקים על ידי שכבה דקה של ממס מפחית את החמצון הסביבתי שלו ומאריך את יציבותם עד 5 ימים¹⁵.

מיפוי יסודות של P ו-C באמצעות ספקטרוסקופיה מפזרת אנרגיית SEM (SEM-EDS) בוצע על סרט דק BP (המתקבל מסינון ואקום) המחובר לסרט פחמן מוליך (איור 5). איור 5E,F מראה בבירור את העוצמה הגבוהה של P בסרט הדק BP ו-C בסרט הפחמן המוליך.

איור 5: סרט לחץ דם. (A) סרט דק של BP המתקבל על ידי סינון ואקום. (ב-ד) מורפולוגיה של פני השטח והקצוות של סרט BP (מחובר לסרט פחמן מוליך להדמיית SEM). (ה,ו) מיפוי יסודות P ו-C של סרט BP (על סרט פחמן מוליך), בהתאמה. נתון זה שונה מ-Yang et ^al.15. זכויות יוצרים 2018, ג'ון ווילי ובניו. פסי קנה מידה = (B) 1 מיקרומטר, (C) 10 מיקרומטר, (D) 250 מיקרומטר. קיצורים: BP = זרחן שחור; SEM = מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

ל-BP יש תצורת מעטפת ערכיות של 3s² 3p³, ולכל אטום זרחן יש זוג אלקטרונים בודד, מה שהופך את אטומי הזרחן לפגיעים לפירוק חמצוני מהיר בנוכחות חמצן, מים ואור⁴¹. כדי למנוע השפלה, מומלץ להשתמש בממיסים וריאגנטים נטולי גז ונטולי מים ולבצע את תהליך הייצור באווירה אינרטית.

במהלך הפילינג של גבישי BP, חלק מה-H⁺ המיוצר (משוואה 1 ומשוואה 2) מצטמצם בממשקי BP, ויוצר בועות H₂ (משוואה 3) המגדילות את המרווח הבין-שכבתי ומקדמות את האינטרקלציה של קטיונים גדולים יותר של TBA⁺ בשכבות BP (איור 1B).

יפורסם בהמשך· HSO₄ TBA⁺ + HSO₄^─ (1)

HSO₄^─ SO₄^2─ + H⁺ (2)

2 H⁺ + 2e^─ → H₂ (3)

במקביל, חלק מה-H⁺ עובר הפחתה קטליטית על פני השטח של גזה Pt, ויוצר בועות קטנות (משוואה 4 ומשוואה 5). חלק אחרון זה של שחרור הגז אינו תורם ליעילות הפילינג הכוללת. במתחים שליליים יותר מ-8.0 וולט, במיוחד שליליים יותר מ-12 וולט, היווצרות בועה זו הופכת ליותר ויותר דומיננטית ומביאה להפחתת תפוקת הדלמינציה (איור 3A).

_מודעות H⁺ + e^{─ →} H (4)

2 ח⁺ + 2ה^─ → ח_{' 2} (5)

התפוקה המקסימלית של פילינג (78 wt%) נצפתה כאשר 0.1 מ' של TBA· נעשה שימוש ב-HSO₄ בפרופילן קרבונט. ריכוזי TBA· ל-HSO₄ יותר מ-0.2 מיליון הייתה השפעה שלילית על התפוקה של מוצר פילינג (איור 3B)¹⁵.

כממס אפרוטי קוטבי, לפרופילן קרבונט יש יציבות גבוהה כנגד הפחתה קתודית⁴². יש לו מתח פנים בינוני (40.8 דיין·ס"^מ-1)⁴³, הדומה לזה של נתזי BP (~40 דיין·ס"^מ-1)⁴⁴, מה שמביא לפיזור תקין של נתזי BP. הפרוטונים המומסים נובעים מדיסוציאציה של אניונים HSO₄ . זה מראה את התפקיד החשוב של אניונים ביסולפט בתהליך הפילינג. החלפת אניונים ביסולפט ב-ClO₄^- או PF₆^- לא הביאה לתוצאות משביעות רצון¹⁵.

היתרון העיקרי של פילינג אלקטרוכימי של BP בהשוואה לשיטות אחרות הוא שהוא מאפשר ייצור בקנה מידה של מיליגרם עד גרם של פיזור איכותי ויציב של BP בממיסים שונים. הסיבה העיקרית לכך היא שהזרם החשמלי המופעל מניע את האינטרקלציה קדימה מבלי להפעיל כוח מכני חזק על ידי שלבי אולטרסאונד ארוכים וקשים; לכן, לפתיתי BP המתקבלים יש גודל רוחבי גדול יותר בהשוואה לאלה המתקבלים בשיטות פילינג בשלב נוזלי. הפעלת כל שלבי הפילינג והפיזור האלקטרוכימיים תחת אטמוספירה נטולת מים ונטולת חמצן מונעת חמצון לא רצוי ומביאה לפתיתי לחץ דם איכותיים וללא פגמים. יתר על כן, ניתן לתפקד עוד יותר את פיזור לחץ הדם האיכותי המתקבל על ידי פילינג אלקטרוכימי כדי לשפר את יציבות הסביבה והתכונות החשמליות שלהם¹⁶.

החיסרון היחיד בפילינג אלקטרוכימי של BP, בהשוואה לשיטת הפילינג המכנית, הוא שלשיטת הפילינג האלקטרוכימית יש מספר שלבים, כלומר, פילינג אלקטרוכימי, כביסה וצנטריפוגה עוקבת, ולבסוף, סוניקציה של מייל באמבטיה.

יתרון נוסף של סינתזה של פיזור לחץ דם בשיטת הפילינג האלקטרוכימי הוא האפשרות לשנות את פיזור הלחץ דם המתקבל, עם גדלי פתיתים ממוצעים שונים בממיסים שונים ובריכוזים שונים ליישומים שונים. עבור יישומים כלליים, כגון ייצור מכשירים אלקטרוניים ואפיונים או פונקציונליזציה נוספת של פתיתי BP, עדיפים פיזור מדולל בממיסים בעלי נקודת רתיחה נמוכה כגון 2-פרופנול. עם זאת, עבור הדפסת הזרקת דיו של אלקטרוניקה, פיזור מרוכז יותר בממיסים בעלי נקודת רתיחה גבוהה, כגון DMF או NMP, הם מעשיים יותר.

עבור יישומים מסוימים, כגון הדפסת הזרקת דיו, יש להקטין את גודל הפתית הממוצע של פיזור לחץ הדם המקולף אלקטרוכימית במידה מסוימת על ידי זמני סוניקציה ארוכים יותר באמבטיה (תלוי בגודל זרבובית מחסנית הזרקת הדיו) כדי למנוע סתימת חרירים. עם זאת, כדי להשיג חפיפה יעילה של נתזי BP ויצירת תבניות מודפסות אחידות ורציפות אין להקטין את הגודל הממוצע של הנתזים מעבר לנדרש (>5.0 מיקרומטר²). גודל הפתית הממוצע של פיזור לחץ הדם המיוצר על ידי פילינג בשלב נוזלי אינו גדול מספיק להדפסת הזרקת דיו הניתנת לשחזור על פי הניסיון שלנו.

הנחיות לפתרון בעיות
במקרה שאין סימן חזותי לקילוף לאחר 15 דקות, יש לבדוק את מערך התגובה האלקטרוכימית ואת החיבורים החשמליים. עדיף להימנע מהגדלת המתח המופעל המוצע או ריכוז האלקטרוליט או מהקטנת המרחק בין האלקטרודות. חשוב לוודא שמוצרי ה-BP המקולפים הנוצרים על האלקטרודה העובדת לא יבואו במגע עם האלקטרודה הנגדית כדי למנוע קצר חשמלי. במקרה שמוצרי הפילינג מתקרבים לאלקטרודה הנגדית, יש להקיש בעדינות על האלקטרודה העובדת כדי להסיר את מוצרי הפילינג המגושמים והרופפים. זה עלול לגרום לעלייה פתאומית בזרם החשמלי, שהוא נורמלי וכתוצאה מחשיפה מוגברת של משטחי גביש BP חדשים לאלקטרוליט. הזרם החשמלי המוגבר יקטן שוב בעוד מספר שניות. חיוני להתחקות אחר כל סימן לזיהומים אורגניים, המוצג בשיטת האפיון, בחזרה לשטיפה וצנטריפוגה לא תקינים, איכות הכימיקלים המשומשים, או טיפול לא נכון בתגובה, עבודת תגובה, הכנת דגימה או שלבי אפיון.

זרחן שחור (BP) הוא אחד החומרים הדו-ממדיים המתפתחים המבטיחים ביותר, עם יישומים בגלאי פוטו, טרנזיסטורי אפקט שדה, אחסון אנרגיה (סופר-קבל וסוללות) וזרזים. פילינג אלקטרוכימי הוא שיטה רב-תכליתית לייצור ספקטרום רחב של חומרים דו-ממדיים מגבישי התפזורת שלהם³⁰, עם יתרונות ייחודיים כגון השגת פתיתים בעלי פגמים נמוכים עם גדלים רוחביים ממוצעים גדולים יותר מאלה המתקבלים מקילוף פאזה נוזלית ואפשרות לייצור בקנה מידה גדול וחסכוני. מאמר זה מציג פרוטוקול לייצור פיזור של פתיתי לחץ דם איכותיים על ידי פילינג אלקטרוכימי, שיטות הכנת דגימות לאפיון פתיתי הלחץ המסונתזים ונתוני האפיון המתאימים.

המחברים מצהירים שאין ניגודי אינטרסים.

המחברים מודים למענק ERC Consolidator על T2DCP, M-ERA-NET פרויקט HYSUCAP, פרויקט SPES3 הממומן על ידי משרד החינוך והמחקר הגרמני (BMBF) במסגרת תוכנית Forschung für neue Mikroelektronik (ForMikro), Graphene Flagship Core 3 881603 ותשתית מחקר אלקטרוניקה מודפסת מתפתחת (EMERGE). פרויקט EMERGE קיבל מימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מס' 101008701. המחברים מודים לד"ר מרקוס לופלר על דיונים מועילים ואפיון וגם מודים למרכז לקידום אלקטרוניקה בדרזדן (cfaed) ולמרכז דרזדן לננואנליזה (DCN).