電鏡還能這麼玩?給石墨烯“洗個澡”,實現原子級潔凈度

電鏡除瞭用來拍照,還能做點更酷炫的事麼?

德國埃爾朗根-紐倫堡大學ErdmannSpiecker教授及其同事近日展示瞭一種電鏡新玩法。他們通過在掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)裝置中加入壓電臂,實現瞭原位清潔石墨烯薄膜表面,其潔凈程度達原子級別。此外,作者們在潔凈石墨烯表面上利用特定表面吸附物生長瞭石墨烯。

電鏡還能這麼玩?給石墨烯“洗個澡”,實現原子級潔凈度

石墨烯的清洗利用瞭灰塵與石墨烯表面作用力微弱的特點,其清潔過程如拖地(圖1a)。作者們在SEM裝置中加入兩條前端連有金屬鎢探針的壓電臂(圖1b)。探針上下各一個,可從石墨烯膜上下兩面接近,並在表面上移動。清潔時,先小心地將探針與石墨烯膜輕輕接觸,然後在平面內移動。由於灰塵與石墨烯之間作用力比石墨烯層間作用力弱,因而探針可將吸附在表面的灰塵與石墨烯剝離,從而清洗石墨烯(圖1c、d)。

電鏡還能這麼玩?給石墨烯“洗個澡”,實現原子級潔凈度
圖1.石墨烯“洗澡”的(a)概念、(b)設備結構和(c、d)原理示意圖。

清潔石墨烯膜可通過SEM實時觀察。電鏡圖片顯示,未處理的石墨烯表面附著大量長條狀灰塵顆粒(圖2a)。通過探針在石墨烯表面上移動,可在不破壞石墨烯薄膜的前提下實現原子級別潔凈程度(視頻及圖2b-h)。除SEM外,TEM也可同樣為石墨烯“洗澡”。

電鏡還能這麼玩?給石墨烯“洗個澡”,實現原子級潔凈度
圖2.SEM視角下的石墨烯清潔過程。其中a-d為頂視圖,e-h為側視圖。

潔凈的石墨烯表面可作為研究二維材料生長行為的平臺。例如,作者們有意向潔凈石墨烯表面引入Cu(II)-四苯基卟啉(CuTPP)分子,並通過電子束照射誘導這些分子在表面擴散(圖3a)。含苯環的CuTPP分子擴散聚攏後利用電子束的能量交聯並逐漸形成具有缺陷的單層石墨烯網絡(圖3b-d)。通過調控交聯時間和表面分子吸附密度,可原位合成多層石墨烯。

電鏡還能這麼玩?給石墨烯“洗個澡”,實現原子級潔凈度
圖3.利用表面吸附的CuTPP分子制備石墨烯:(a)示意圖及(b-d)TEM視角下的生長過程。

不知本工作的靈感是否來源於作者們某次的灑掃庭除。

更多信息(如石墨烯表面再污染動力學特征等)請參見原文:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15255-3

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