清華大學Science Advances：大面積石墨烯的低能透射電子衍射及成像

【引言】

二維材料獨特的物理特性和重要的應用價值吸引了眾多研究者的興趣，其中大面積、高質量的材料生長是規模應用和產業化的關鍵，目前已經有研究組能夠生長出較大面積的二硫化鉬(MoS2)和單晶石墨烯樣品，但是其晶體結構的表徵仍然依賴於傳統的選區電子衍射(SAED)和低能電子衍射(LEED)，而選區電子衍射和低能電子衍射在表徵大尺寸樣品時會遇到效率低下的問題，如何高效快速的表徵大面積二維材料的晶體結構仍然是一個亟待解決的問題。

【成果簡介】

清華大學物理系姜開利教授和柳鵬副研究員(共同通訊作者)的團隊發展了一種利用低能電子透射衍射快速表徵大面積二維材料晶體結構的方法，該研究成果以「Low-energy transmission electron diffraction and imaging of large-area graphene」為題於2017年9月1日發表在Science Advances上。該方法是將大面積二維材料轉移到超順排碳納米管(SACNT)薄膜載網上，利用大束斑(百微米至近厘米) 低能量電子束(200電子伏至幾千電子伏)產生電子衍射，得到大面積樣品的電子衍射圖案。

碳納米管載網優異的力學特性可以承載大面積二維材料，80%-90%的透明度可確保不會對樣品的衍射圖案產生影響。尺寸可調的束斑使得衍射成像和衍射花樣之間可以自由切換，從而可以對樣品的晶體結構快速表徵，大大提高了二維材料晶體結構表徵的效率。對於大面積多晶樣品，這一方法還可以對其晶向分布進行快速表徵。研究團隊還在室溫環境下觀察到了石墨烯表面吸附形成的衍射圖案，吸附與石墨烯的晶向一致，是一種晶格結構與石墨烯高度相關的二維吸附，這一發現展示了該方法在研究二維材料表面吸附方面的巨大潛力。清華大學段文暉、徐勇，山東大學趙明文，清華大學材料學院於榮，北京大學彭練矛等研究組進行了結構計算和衍射模擬的工作。北京大學化學與分子工程學院彭海琳教授和劉忠范院士研究組提供了高質量的大面積單晶石墨烯樣品，充分驗證了這一實驗方法在表徵大面積單晶樣品時的快速高效的特點；清華大學物理系李群慶研究組提供了MoS2多晶樣品，驗證了該實驗方法也適用於MoS2等二維材料。

研究團隊還發展了可以完全實現透射衍射和成像功能的小型化裝置，該裝置結構簡單，操作簡便，對於真空系統的要求較低(10-3Pa)，有望在學術界以及工業界的推廣使用。

【圖文導讀】

圖1 低能透射電子衍射系統示意圖

圖中包括陰極、透鏡系統、石墨烯樣品和熒光屏陽極，還給出了石墨烯樣品和陽極的正視圖，右下角是約1.6cm的碳納米管/石墨烯複合膜(CGF)的照片。

圖2 大面積石墨烯的透射電子衍射及成像

(A-B)化學氣相沉積(CVD)法在銅箔上生長的大面積石墨烯，其中用紅色虛線圈標出石墨烯島1和島2；

(C)圖(B)中的石墨烯製備的CGF，石墨烯島1和島2分別用紅色虛線標出；

(D)石墨烯島1在中心光斑處的圖像；

(E)石墨烯島1的衍射圖像；

(F-I)石墨烯島1不同區域的衍射花樣，圖(I)中插圖是箭頭方向衍射斑點峰強度圖；

(J)石墨烯島2在中心光斑處的圖像；

(K)石墨烯島2的衍射圖像；

(L-O)石墨烯島2不同區域的衍射花樣。

圖3 大面積連續多晶石墨烯的透射電子衍射及成像

(A)轉移到Si基底(有SiO2層)上的大面積連續多晶石墨烯的光學照片；

(B)多晶石墨烯的SAED(200keV)花樣，選區尺寸為100nm；

(C-D)分別是大面積連續多晶石墨烯的低能透射電子衍射圖像和衍射花樣。

圖4 單晶和多晶石墨烯上吸附的透射電子衍射

(A-D)單晶石墨烯上吸附的透射電子衍射花樣及消失過程，圖(A)中用綠色圓圈標出了吸附的一個衍射斑點；

(E)CGF(經去離子水沖洗)示意圖及(F)所對應的有吸附的衍射花樣；

(I)電加熱後的CGF及(J)無吸附的衍射花樣；

(M)經噴水處理後的CGF及(N)所對應的有吸附的衍射花樣；

(G、K)分別具有2個和3個晶粒取向的石墨烯吸附的透射電子衍射花樣；

(O)石墨烯吸附的衍射圖像，右上角的插圖是石墨烯島在中心斑點處的圖像；

(H) 石墨烯上單層(2×2)R0°水吸附的吸附結構的計算結果，灰、紅和白色的球分別表示C、O和H原子，同時給出了分子的結合能Eb；

(L) 石墨烯上單層(2×2)R0°水吸附模擬衍射花樣，綠色圓圈標出的吸附的(10-10)衍射斑點；

(P) 石墨烯上水吸附鏈模型，灰、紅和白色的球分別代表C、O和H原子，同時標出了3個等價的鏈的取向。

圖5 透射電子衍射和成像的小型化裝置

(A)小型化裝置；

(B) 該裝置在正常照度下拍攝的多晶石墨烯及吸附的透射電子衍射花樣。

【小結】

本文採用低能靜電聚焦電子槍和超順排碳納米管載網發展了一種大面積二維材料晶體結構快速表徵的方法，大大提高了二維材料晶體結構的表徵效率，而且在二維材料的弱相互作用研究中也顯示出巨大潛力。利用該原理製造的表徵儀器結構簡單、操作方便，有望在二維材料的科學研究和工業化生產中得到廣泛應用。

文獻鏈接：Low-energy transmission electron diffraction and imaging of large-area graphene (Sci. Adv., 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1603231)

感謝柳鵬副研究員對本文的斧正和對材料人編輯部的指導！

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。

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