АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Методы характеризации графена

Идентификация Г и надёжное определение латеральных размеров и толщины чешуек является весьма непростой задачей. Во-первых, размеры полученных чешуек Г обычно отличаются как горизонтальным размером, так и числом графеновых слоев. Горизонтальный размер чешуек Г может достигать нескольких миллиметров, а иногда и 1 см, но толщина слоя, как правило, составляет менее 1 нм. Соотношение латерального размера и толщины столь значительно (10⁶ раз и более), что трудно подобрать методы, имеющие возможность с одинаковой надёжностью определять оба размера в одном объекте.

В то же время, без простых и надёжных методов идентификации и характеризации образцов нельзя всерьёз говорить о создании нового материала. Одно из важнейших достижений первых работ Новосёлова и Гейма - это определение набора методов, с помощью которых можно надёжно характеризовать (идентифицировать) такие уникальные объекты, как однослойный графен.

А) Прямое визуальное наблюдение

Графен оптически прозрачен, чешуйка однослойного графена поглощает не более 2,3 % падающего света, что исключает прямое визуальное наблюдение (для глаза он невидим). Использование красителей позволяет наблюдать некоторые чешуйки в поляризационном микроскопе. Подробное исследование оптических характеристик 1 сГ и мсГ, проведенное в работе [114], позволяет надежно определять число слоев по оптическим характеристикам образцов графена. Для улучшения визуального наблюдения слой графена помещают на стекло, активированное флюоресцентным красителем [115]. Увеличение числа слоев графена приводит к получению образцов голубой окраски. Была разработана специальная методика, которая позволяет отличать чешуйки мсГ от 1сГ. Другая методика состоит в обработке образца 1сГ кислородной плазмой: наблюдается сильная фотолюминесценция однослойного графена. Но 2 сГ и более многослойные графены остаются нелюминесцирующими [116].

Для идентификации Г чаще всего используют КР-спектроскопию [117 - 119] и атомно-силовую микроскопию (АСМ) [120]; реже - сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) [121, 47] и ПЭМ.

Б) Спектроскопия КР

Спектроскопия КР является недеструктивным и быстрым методом идентификации Г, как правило, позволяет надежно отличить 1сГ от Гр, а также от 2-х, 3-х слойных мсГ [117]. В работах [117 - 119] показано, что для Гр и Г в спектрах КР наблюдаются два главных пика: G – линия, характеризующая колебания системы sp² углеродных связей (~ 1580 см^-1) (графитоподобная зона), и 2 D – линия (~ 2700 см^-1), являющаяся обертоном D – линии (дефектная зона)(~ 1350 см^-1). На рис. 23 приведен типичный КР спектр для Гр и 1сГ.

Рис. 23. Типичный КР спектр графита и графена [117].

В спектре 1сГ наблюдается симметричный острый пик 2 D - линии, в то время как для Гр – неразрешенный уширенный пик, смещенный в длинноволновую область по отношению к 1сГ. Следует, однако, отметить, что в большинстве экспериментов КР-спектры представляют нечто среднее между идеальными кривыми, приведёнными на рис. 23, что существенно затрудняет идентификацию образцов. Как правило, данный метод не позволяет определять точное количество слоев в мсГ, когда их число возрастает до 5 - 10 слоев. В то же время, при использовании соотношения I_G/I_2D иногда это затруднение удаётся преодолеть [54]. Прецизионное исследование КР-спектров 1сГ позволяет определить степень дефектности структуры за счёт рассеяния на дефектах π - электронов, возбуждённых лазерным излучением. Среди множества образцов удаётся выделить полностью бездефектные чешуйки однослойного графена. КР-спектроскопия использована также для идентификации ГрО и ХМГр [122].

В) Сканирующая туннельная микроскопия

ВОПГ традиционно использовался в СТМ экспериментах в качестве атомно-гладной подложки для идентификации различных нанообъектов. В этих экспериментах обычно видны 3 из 6 атомов углерода кольца за счет АВ упаковки слоев графита. При таком расположении слоев электронная плотность значительно больше у тех атомов, которые затенены в нижнем слое, и только они видны в СТМ. В отличие от этого в однослойном графене видны все 6 атомов углерода (рис. 24, 25).

Рис. 24. СТМ изображение

a) однослойного графена на 6H-SiC (0001); б) бислойного графена 6H-SiC (0001) [121].

Рис. 25. a) Схематическое изображение (модель) однослойного графена на поверхности Ni (111). Далее СТМ изображение б) графена с n – слоями; в, г) Схематическое изображение однослойного графена [121].

Следовательно, с помощью СТМ можно надёжно отличить однослойный графен от многослойного; однако, для получения такого рисунка необходим достаточно сложный эксперимент, требующий работы в ультравысоком вакууме.

Г) Атомно-силовая микроскопия

Метод не требует проводящей подложки и довольно часто используется для измерения формы и толщины нанообъектов. АСМ с успехом применяется для определения числа слоёв (от 3-х до 10-ти) в многослойных графенах. Что касается однослойного графена, то в ряде экспериментов однослойный графен обычно виден как лист с толщиной 0,6 нм или немного больше (вплоть до 1 нм); считается, что графен как всякий нанообъект при переносе на подложку сорбирует на своей поверхности молекулы растворителя (в частности, слой воды [123,124]) и другие трудноконтролируемые примеси; игла АСМ описывает такой комплекс как единый объект, что и приводит к завышению значений толщины монослоя графена (рис. 26).

Рис. 26. Изображение АСМ слоев графена [120].

Результаты использования данного метода в сильной степени зависят от подготовки образца и нанесения его на подложку, а также от выбора подложки [120].

Д) Динамическое рассеяние света

В последнее время для определения размера частиц Г в дисперсиях в воде или органических растворителях применяется метод динамического рассеяния света. Метод даёт верхний предел латерального размера чешуек Г; что касается толщины, то получающиеся результаты в силу особенностей метода, менее надёжны.

Дата добавления: 2015-09-27 | Просмотры: 1375 | Нарушение авторских прав