石墨烯具有獨(dú)特的機(jī)械、電子和光學(xué)特性，這使得它在一系列應(yīng)用中備受關(guān)注。這些性質(zhì)可以通過(guò)控制石墨烯的結(jié)構(gòu)及其與表面的相互作用來(lái)調(diào)節(jié)。自組裝單層(SAMs)可以定制石墨烯-表面相互作用；然而，在空間上控制這些相互作用仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這里，我們將膠體光刻與不同的SAM化學(xué)混合，以創(chuàng)建基于石墨烯與襯底的化學(xué)相互作用來(lái)修改石墨烯屬性的圖案化架構(gòu)，并研究這些相互作用是如何在空間上排列的。使用原子力顯微鏡、拉曼和紅外光譜、散射型掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和X光光電子能譜對(duì)圖案化系統(tǒng)及其產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)、納米力學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了表征。
圖 1. 模板自組裝、化學(xué)氣相沉積(CVD)石墨烯制備以及隨后轉(zhuǎn)移到圖案化SAM基板的示意圖。
圖 2. 用PFPA分子回填孔隙以及隨后與石墨烯反應(yīng)的示意圖。 (A)在將CVD石墨烯轉(zhuǎn)移到圖案化SAM上之前，OTS單層中的空孔用 PFPA 分子回填。 然后將石墨烯-SAM結(jié)構(gòu)在140℃下加熱40分鐘，以驅(qū)動(dòng)PFPA分子的疊氮化物基團(tuán)與石墨烯晶格中的兩個(gè)相鄰碳原子之間的反應(yīng)。 (B) PFPA疊氮化物基團(tuán)與石墨烯的反應(yīng)機(jī)理。
圖 3. AFM形貌和摩擦圖像以及使用三種不同模板球直徑的OTS單層孔的橫截面。
使用 (A) 1.8μm 球體、(B) 0.5μm 球體和 (C) 0.2μm球體作為模板的具有相應(yīng)空孔橫截面的形貌和摩擦圖像。 對(duì)于所有圖像，橫截面位置由白色虛線表示，孔在橫截面中由粉紅色框表示。 比例尺為 (A) 2、(B) 0.5 和 (C) 0.5μm。
圖 4. 使用1.8 (A-C)、0.5 (D-F) 和0.2μm (G-I)球體模板創(chuàng)建的石墨烯轉(zhuǎn)移到孔隙上的 AFM 形貌和摩擦圖像，其中顯示了形貌和摩擦力 具有相應(yīng)橫截面的空孔（左列）和C10填充（中心列）和 PFPA 填充孔（右列）的圖像。 對(duì)于所有圖像，橫截面位置由白色虛線表示，其中孔隙位置以粉紅色突出顯示。 比例尺為2μm (A-C)、200 nm (D-F) 和100 nm (G-I)。
圖 5. 石墨烯與 0.2μm PFPA填充孔反應(yīng)的AFM形貌(A)和摩擦(B)圖像以及相應(yīng)的橫截面 (C)。 對(duì)于這兩個(gè)圖像，橫截面位置由白色虛線表示，比例尺為 0.1μm。
圖 6. 加熱前后各種1.8 μm孔樣品上石墨烯的代表性拉曼光譜。 (A) 1.8 μm空孔，(B) 1.8 μm C10填充孔，(C) 1.8 μm PFPA填充孔。對(duì)于所有光譜，2D (∼2670 cm
−1) 和 G (∼1583 cm
−1) 峰位置以黑色標(biāo)記，2D/G峰強(qiáng)度比以藍(lán)色標(biāo)記，位移 (Δ) 的比率2D/G峰值位置標(biāo)記為紅色。 使用 Lee 等人研究中的固有峰位置（G：1581.6 cm-1 和 2D：2676.9 cm-1）計(jì)算峰位移。其中大 (>2.00) 2D/G峰位移比表明峰位置的位移由應(yīng)變主導(dǎo)。當(dāng)峰值位置的偏移由應(yīng)變主導(dǎo)時(shí)，G 峰值偏移的方向（在每個(gè)光譜中的括號(hào)中）表示應(yīng)變的類型。升檔 (Δ: +) 表示壓縮應(yīng)變，而降檔 (Δ: -) 表示拉伸應(yīng)變。
圖 7. 在 140℃加熱前后，空孔 (A)、C10孔 (B) 和PFPA孔 (C)在較大孔系統(tǒng)（1.8μm微球模板）上的石墨烯拉曼圖譜。 比例尺為2μm。
圖 8. (A)在 140℃下加熱40分鐘后，超過(guò)0.5μm 模板化的空孔（左）和填充PFPA（右）孔的石墨烯代表性區(qū)域的AFM攻絲模式形貌圖像。 （B）在 140℃下加熱40分鐘后，石墨烯在 0.5μm模板化的空孔（左）和PFPA填充（右）孔的代表性區(qū)域的相應(yīng)歸一化NF振幅圖像（使用 10.5μm CO
2 激光源）。相應(yīng)的 NF幅度圖像被歸一化為每個(gè)圖像中裸 OTS 的幅度信號(hào)。 所有比例尺均為 0.2 μm。 孔隙位置在地形圖像中用白色虛線圓圈表示。
相關(guān)科研成果由德克薩斯農(nóng)工大學(xué)Maelani Negrito和Meagan B.Elinski等人于2021發(fā)表在Langmuir（https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.1c01136）上。原文：Using Patterned Self-Assembled Monolayers to Tune Graphene–Substrate Interactions。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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