Small Structures: 石墨烯作为透射电镜样品衬底的研究进展

长期以来,透射电子显微镜(TEM)表征技术技术一直是在原子水平表征纳米材料的一种重要技术。随着TEM的发展,成像分辨率等性能逐步提高,获取高分辨率图像需要解决的主要问题已从仪器转移到样品制备上。因此,优化样品制备技术以及降低样品衬底的干扰,对获得高分辨率图像和研究纳米粒子非常重要,这一点越来越受到人们的重视。

在发现石墨烯以来的十多年中,石墨烯的应用越来越广泛,它的特殊性能在许多领域都体现出了其应用价值。TEM技术的研究也是其中一个领域。石墨烯具有高结晶形态,无缺陷单层石墨烯有优异的电子透明的特性,其透射系数在不同加速电压下变化量大,可以有效地使其在特定加速电压下保持透明。0.34 nm的单原子厚度也能够使信号实现可靠的快速傅里叶变换。无缺陷石墨烯的高强度也使其易于承受TEM内部的高真空环境。此外,其优异的导电性和较低电压下较好的的化学稳定性体现出石墨烯在作为TEM样品支撑膜领域的应用前景。

石墨烯作为TEM基底的作用可以大致分成5类:1)对吸附物和轻原子本身及其与石墨烯的相互作用进行成像。2)在原位实验中使用石墨烯作为惰性和具有机械稳定性的衬底。3)直接用作无法以独立形式存在的纳米材料的高分辨率成像衬底。4)作为封装材料,用于生物分子、有机化合物等高电子束敏感材料的成像。5)作为复合材料的成分之一,参与到与其他材料或标本的混合界面的研究中。

图1. 石墨烯在透射电子显微镜中的优点和不同用途示意图。

牛津大学Sapna Sinha博士与德州大学奥斯汀分校Jamie H. Warner教授合作综述了近期石墨烯作为透射电镜衬底的研究进展。本文综述了以石墨烯为TEM衬底在富勒烯、一维材料、二维材料、生物材料、有机化合物、分子自组装、金属-石墨烯界面、纳米粒子和团簇的微结构研究以及在自支撑单分子膜层、电催化和原位液体TEM中的功能及其应用。

本工作在线发表在Small Structures(DOI: 10.1002/sstr.202000049)上,总结了石墨烯在TEM技术领域的应用工作。文章亦对其他显微技术,尤其是原位表征技术的创新做出了新的展望。