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制尚不清楚。在這里，通過使用扭轉共振原子力顯微鏡(TR-AFM)的面內彈性成像，研究證明了石墨烯上觀察到的疇具有面內彈性(剪切)各向異性，而不是通常認為的摩擦各向異性。研究結果也支持各向異性疇起源于石墨烯表面上自組裝的環境吸附。在一個區域內，高度有序分子的更密集的骨干結構定義了后者的剪切各向異性的主軸。這項工作表明了對二維材料各向異性疇特征的定量理解。這也證明了TR-AFM是研究包括有機分子晶體在內的材料的面內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，并旋轉樣品以研究疇的各向異性特征。(b)說明一般最低調頻和非常規最高調頻的工作原理。
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的兩個石墨片相互堆疊的r - afm形貌(上排)和相應的振幅(下排)圖像。圖a中樣品的ML-BL邊界繪制在圖b中(虛線)，圖c中樣品的褶皺位置表示在圖d中(虛線)。
圖3.石墨烯結構域的各向異性特性。(a)圖2e中單層石墨烯上部區域在不同順時針樣品旋轉角度φ下同時記錄的TR-AFM振幅和(b) TSM(回跡減去(−)跡)圖像。(c)圖b中標記為α、β和γ的三個區域的TR-AFM振幅和(d) TSM(回跡減去(−)跡)信號繪制為樣品旋轉角φ的函數。
圖d中旋轉角度為35°(β)、90°(γ)和148°(α)的虛線表示結構域TSM信號突變的位置。
圖4. 石墨烯結構域的不同表征方法。(a)圖2e中單層石墨烯的面內TR-AFM振幅，(b)面外CR-AFM振幅，(c) TSM(回跡負(-)跡)和(d) FFM(回跡負(-)跡)圖像。
圖5.石墨烯上域的定量面內彈性映射。圖2e中單層石墨烯在206khz工作頻率下的放大區域的TR-AFM (a)形貌和(b)振幅圖像。通過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） 薄膜的熱導率。（b） 薄膜的時間-溫度散熱曲線。（c） 熱耗散過程中RGO/GP薄膜的紅外熱圖。（d） RGO/GP/VG薄膜散熱過程的紅外熱圖。
圖7.自組裝吸附條的取向與剪切剛度的關系。單層石墨烯的實測剪切剛度圖由圖5e重新繪制。圖中給出了α(58°)、β(- 55°)和γ(0°)三個結構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。
相關研究成果由中國科學技術大學Chengfu Ma和Yuhang Chen課題組2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
