石墨烯单晶透射电镜载网:洁净转移制备及应用

单原子层厚度的悬空石墨烯薄膜在很多领域有很大的应用潜力和价值。不受基底干扰的悬空石墨烯最能充分发挥石墨烯本征的优异性能。比如,完美的石墨烯支撑膜仅容许氢离子穿过,通过人为引入纳米孔也可实现小分子的选择性通过。此外,悬空石墨烯作为透射电子显微镜的样品支撑膜具有不可替代的优势。单晶石墨烯高的机械强度和柔性保证了石墨烯载网可有效负载样品,其超高的电导率和热导率可有效降低荷电效应和电子辐照损伤,尤其适用于冷冻电镜成像;单原子碳层的规则结构几乎不会对样品表征引入额外干扰且背底信号容易扣除。表面洁净的双层石墨烯之间形成π-π范德华力提供了较强的相互作用,更使得液体样品的封装成为可能,可用于透射电子显微镜下液相反应的原位表征和追踪,为从原子尺度解析反应过程提供了可能。

然而,目前洁净、高完整度、低缺陷密度的大面积悬空石墨烯支撑膜的制备仍是该领域的瓶颈所在。早前,悬空石墨烯的制备多通过手撕样品直接剥离到具有孔洞或沟槽的基底上,该方法得到的样品层数不可控、面积小、效率低,很难实现批量制备和应用。而化学气相沉积生长的石墨烯薄膜则可以克服上述弊端。石墨烯从金属基底表面剥离,通常需要高聚物做媒介起到辅助支撑的作用,以避免产生不必要的褶皱、堆叠和破损。然而,由于石墨烯与高聚物之间较强的作用力,很难彻底除胶,而这些残胶会对石墨烯载网的性质有很大影响,并会显著降低透射电镜的成像质量。倘若采用无高聚物辅助转移石墨烯,转移过程中不可避免的扰动以及液体更换时体系表面张力的剧烈变化,都大大增加了漂浮在液面上的单层石墨烯薄膜的破损率。目前文献报道的无高聚物辅助转移制备悬空石墨烯样品的完整度普遍低于60%。

AM-penghailin

近期,北京大学彭海琳课题组发展了无高聚物辅助的石墨烯洁净转移技术,将化学气相沉积制备的亚厘米尺寸的石墨烯大单晶薄膜无损转移到了商用透射电镜载网等多孔基底上,制备出了高完整度(>95%)的石墨烯单晶支撑膜。他们通过对石墨烯转移过程中表界面张力的精细调控,选用与石墨烯浸润性良好的异丙醇梯度替换刻蚀剂,借助异丙醇与水的互溶性和低的表面张力,有效降低了转移过程中对石墨烯的表界面张力,保证了石墨烯的高完整度。借助球差电镜可得到大面积均匀的单层碳原子像,原子力显微镜表明表面平均粗糙度低于0.5 nm/μm2。在此基础上,他们通过将两片洁净石墨烯支撑膜堆叠,通过石墨烯之间形成较强的π-π堆叠,封装液体,高效率制备出了尺寸在几纳米到几微米不等的石墨烯基液体反应池,成功实现了对高电压辐照下金溶胶中金纳米粒子的旋转、团聚、生长等行为原子级分辨率的原位观察。该方法简便易操作且具有很好的可放大性,所制备的高质量石墨烯支撑膜在未来的电子显微镜等领域也有极大的发展和应用空间。

相关论文发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201700639)上,第一作者是北京大学博士研究生张金灿和林立。

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