[論文レビュー] Water desorption and re-adsorption on epitaxial graphene studied by SPM

Timothy L. Burnett, J.W. Patten+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2012

Graphene research and applications参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、スキャニングプローブ顕微鏡（SPM）を用いて、4H-SiC(0001)上に成長した少数層エpiタクシャルグラフェンにおける水の逆転脱着および再吸着を調査した。室温条件下で、水は第二および第三グラフェン層上に固体に類似した構造を形成することが判明した。欠陥を介した核化と、1層と2層の間で表面電位が2倍に変化する現象が観察され、加熱過程のイン・サイト観察によりナノスケールの熱吸着測定が可能になった。

ABSTRACT

We demonstrate the temperature-mediated and completely reversible process of desorption-readsorption of water on a few layers of epitaxial graphene on a 4H-SiC(0001) substrate. We show that under ambient conditions water forms solid structures on top of the second and third layers of graphene. In the case of strained or highly defective graphene domains, these features produce strongly correlated and reproducible patterns, implying importance of the underlying defects for the initial stages of water adsorption. Hydrophobicity increases with number of graphene layers. Evolution of the water layer as a function of temperature is accompanied by a significant (two-fold) change of the absolute surface potential difference between one and two layers of graphene. In situ observation of water evolution during heating also potentially provides a direct method for measurement of the heat adsorption on the nanoscale.

研究の動機と目的

• エピタクシャルグラフェン上での水の吸着および脱着の温度依存的挙動を理解すること。
• グラフェンの層数および下部の欠陥が、水の核化および構造形成に果たす役割を調査すること。
• 少数層グラフェン上での表面電位と水層の進化との関係を明らかにすること。
• イン・サイト SPM を用いた水の脱着／再吸着サイクルにおけるナノスケールの熱吸着測定の可能性を評価すること。

提案手法

• 室温条件下でエピタクシャルグラフェン上に形成された水の構造をスキャニングプローブ顕微鏡（SPM）で観察した。
• 加熱および冷却過程における水層の進化をモニタリングするため、温度依存的なイン・サイト SPM 測定を実施した。
• 水の吸着中に1層と2層のグラフェン間で電子的性質の変化を定量化するため、表面電位マッピングを実施した。
• 水の構造パターンとグラフェンの下部欠陥または応力との相関関係を分析した。
• 単層、二層、三層のグラフェンドメインにおける水の吸着挙動を比較した。
• 水の脱着および再吸着過程における界面エネルギーの変化を推定するため、絶対的表面電位差を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度がエピタクシャルグラフェン上での水の脱着および再吸着にどのように影響を与えるか？
• RQ2 グラフェンの欠陥および応力が、吸着した水の核化およびパターン形成に果たす役割は何か？
• RQ3 グラフェンの層数が、疎水性および水の構造形成にどのように影響を与えるか？
• RQ4 水の吸着／脱着サイクル中に、グラフェンの表面電位がどの程度変化するか？
• RQ5 加熱過程における水層の進化をイン・サイト SPM で観察することで、ナノスケールの熱吸着を推定できるか？

主な発見

• 室温条件下で、エピタクシャルグラフェンの第二および第三層上に水が固体に類似した構造を形成する。
• グラフェン内の欠陥および応力は、強く相関し、再現性のある水のパターンを生じさせ、初期吸着におけるその重要な役割を示している。
• 水の構造形態の観察により、グラフェンの層数が増加するにつれて疎水性が向上することが裏付けられた。
• 水の吸着中に、1層と2層のグラフェン間で絶対的表面電位差が2倍に変化する現象が観察された。
• 加熱過程における水の進化をイン・サイト SPM で観察することで、ナノスケールの熱吸着測定への直接的道筋が得られた。
• 大気条件下で、脱着および再吸着プロセスは完全に可逆的であることが確認された。