已知具有180°周期性的各向異性疇普遍存在于石墨烯以及其他二維(2D)晶體上。然而，這些疇的物理起源及其各向異性的機(jī)制尚不清楚。在這里，通過(guò)使用扭轉(zhuǎn)共振原子力顯微鏡(TR-AFM)的面內(nèi)彈性成像，研究證明了石墨烯上觀察到的疇具有面內(nèi)彈性(剪切)各向異性，而不是通常認(rèn)為的摩擦各向異性。研究結(jié)果也支持各向異性疇起源于石墨烯表面上自組裝的環(huán)境吸附。在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，高度有序分子的更密集的骨干結(jié)構(gòu)定義了后者的剪切各向異性的主軸。這項(xiàng)工作表明了對(duì)二維材料各向異性疇特征的定量理解。這也證明了TR-AFM是研究包括有機(jī)分子晶體在內(nèi)的材料的面內(nèi)彈性各向異性的有力工具。
圖1所示.表征石墨烯各向異性疇的方法。(a) TR-AFM掃描位于SiO
2/Si襯底上的單層石墨烯樣品的示意圖。如圖所示，TR-AFM振幅和相位圖像顯示了石墨烯上的疇，并旋轉(zhuǎn)樣品以研究疇的各向異性特征。(b)說(shuō)明一般最低調(diào)頻和非常規(guī)最高調(diào)頻的工作原理。
圖2. 石墨烯片上的疇。(a, b)由單層(ML)和雙層(BL)組成的石墨烯片的邊界區(qū)域，(c-f) SiO
2/Si襯底上的ML石墨烯片，以及(g, h)厚度約為8.3 nm的兩個(gè)石墨片相互堆疊的r - afm形貌(上排)和相應(yīng)的振幅(下排)圖像。圖a中樣品的ML-BL邊界繪制在圖b中(虛線(xiàn))，圖c中樣品的褶皺位置表示在圖d中(虛線(xiàn))。
圖3.石墨烯結(jié)構(gòu)域的各向異性特性。(a)圖2e中單層石墨烯上部區(qū)域在不同順時(shí)針樣品旋轉(zhuǎn)角度φ下同時(shí)記錄的TR-AFM振幅和(b) TSM(回跡減去(−)跡)圖像。(c)圖b中標(biāo)記為α、β和γ的三個(gè)區(qū)域的TR-AFM振幅和(d) TSM(回跡減去(−)跡)信號(hào)繪制為樣品旋轉(zhuǎn)角φ的函數(shù)。
圖d中旋轉(zhuǎn)角度為35°(β)、90°(γ)和148°(α)的虛線(xiàn)表示結(jié)構(gòu)域TSM信號(hào)突變的位置。
圖4. 石墨烯結(jié)構(gòu)域的不同表征方法。(a)圖2e中單層石墨烯的面內(nèi)TR-AFM振幅，(b)面外CR-AFM振幅，(c) TSM(回跡負(fù)(-)跡)和(d) FFM(回跡負(fù)(-)跡)圖像。
圖5.石墨烯上域的定量面內(nèi)彈性映射。圖2e中單層石墨烯在206khz工作頻率下的放大區(qū)域的TR-AFM (a)形貌和(b)振幅圖像。通過(guò)正文中描述的方法獲得的域的TR-AFM (c)頻率和(d) Q值圖。(e)由圖c的頻率圖計(jì)算出的各域的剪切剛度圖。圖中示出了懸臂掃描方向和尖端剪切方向。
圖6. （a） 薄膜的熱導(dǎo)率。（b） 薄膜的時(shí)間-溫度散熱曲線(xiàn)。（c） 熱耗散過(guò)程中RGO/GP薄膜的紅外熱圖。（d） RGO/GP/VG薄膜散熱過(guò)程的紅外熱圖。
圖7.自組裝吸附條的取向與剪切剛度的關(guān)系。單層石墨烯的實(shí)測(cè)剪切剛度圖由圖5e重新繪制。圖中給出了α(58°)、β(- 55°)和γ(0°)三個(gè)結(jié)構(gòu)域的自組裝吸附條的確定取向。
給出了懸臂掃描方向和尖端剪切方向。
相關(guān)研究成果由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)Chengfu Ma和Yuhang Chen課題組2024年發(fā)表在ACS Nano (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04368)上。原文：Shear Anisotropy Domains on Graphene Revealed by In-Plane Elastic Imaging
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
