已知具有180°周期性的各向异性畴普遍存在于石墨烯以及其他二维(2D)晶体上。然而，这些畴的物理起源及其各向异性的机制尚不清楚。在这里，通过使用扭转共振原子力显微镜(TR-AFM)的面内弹性成像，研究证明了石墨烯上观察到的畴具有面内弹性(剪切)各向异性，而不是通常认为的摩擦各向异性。研究结果也支持各向异性畴起源于石墨烯表面上自组装的环境吸附。在一个区域内，高度有序分子的更密集的骨干结构定义了后者的剪切各向异性的主轴。这项工作表明了对二维材料各向异性畴特征的定量理解。这也证明了TR-AFM是研究包括有机分子晶体在内的材料的面内弹性各向异性的有力工具。
 
 
图1所示.表征石墨烯各向异性畴的方法。(a) TR-AFM扫描位于SiO₂/Si衬底上的单层石墨烯样品的示意图。如图所示，TR-AFM振幅和相位图像显示了石墨烯上的畴，并旋转样品以研究畴的各向异性特征。(b)说明一般最低调频和非常规最高调频的工作原理。
 
 
图2. 石墨烯片上的畴。(a, b)由单层(ML)和双层(BL)组成的石墨烯片的边界区域，(c-f) SiO₂/Si衬底上的ML石墨烯片，以及(g, h)厚度约为8.3 nm的两个石墨片相互堆叠的r - afm形貌(上排)和相应的振幅(下排)图像。图a中样品的ML-BL边界绘制在图b中(虚线)，图c中样品的褶皱位置表示在图d中(虚线)。
 
 
图3.石墨烯结构域的各向异性特性。(a)图2e中单层石墨烯上部区域在不同顺时针样品旋转角度φ下同时记录的TR-AFM振幅和(b) TSM(回迹减去(−)迹)图像。(c)图b中标记为α、β和γ的三个区域的TR-AFM振幅和(d) TSM(回迹减去(−)迹)信号绘制为样品旋转角φ的函数。
图d中旋转角度为35°(β)、90°(γ)和148°(α)的虚线表示结构域TSM信号突变的位置。
 
 
图4. 石墨烯结构域的不同表征方法。(a)图2e中单层石墨烯的面内TR-AFM振幅，(b)面外CR-AFM振幅，(c) TSM(回迹负(-)迹)和(d) FFM(回迹负(-)迹)图像。
 
  图5.石墨烯上域的定量面内弹性映射。图2e中单层石墨烯在206khz工作频率下的放大区域的TR-AFM (a)形貌和(b)振幅图像。通过正文中描述的方法获得的域的TR-AFM (c)频率和(d) Q值图。(e)由图c的频率图计算出的各域的剪切刚度图。图中示出了悬臂扫描方向和尖端剪切方向。
 
 
图6. （a） 薄膜的热导率。（b） 薄膜的时间-温度散热曲线。（c） 热耗散过程中RGO/GP薄膜的红外热图。（d） RGO/GP/VG薄膜散热过程的红外热图。
 
 
图7.自组装吸附条的取向与剪切刚度的关系。单层石墨烯的实测剪切刚度图由图5e重新绘制。图中给出了α(58°)、β(- 55°)和γ(0°)三个结构域的自组装吸附条的确定取向。
给出了悬臂扫描方向和尖端剪切方向。
 
       相关研究成果由中国科学技术大学Chengfu Ma和Yuhang Chen课题组2024年发表在ACS Nano (链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04368)上。原文：Shear Anisotropy Domains on Graphene Revealed by In-Plane Elastic Imaging

转自《石墨烯研究》公众号