[논문 리뷰] Water desorption and re-adsorption on epitaxial graphene studied by SPM

Timothy L. Burnett, J.W. Patten외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 15.

Graphene research and applications참고 문헌 35인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 프로브 현미경(SPM)을 사용하여 4H-SiC(0001) 위에 에pitaxial 그래핀의 소수성 및 수소 결합에 의한 수분의 역행성 탈착 및 재흡착 거동을 조사한다. 환경 조건에서 두 번째 및 세 번째 그래핀 계면에서 수분이 고체 유사 구조를 형성하는 것으로 밝혀졌으며, 결함 유도 핵화 및 한 층과 두 층 사이에서 표면 전위가 두 배로 변화함으로써, 실시간 열진동 관찰을 통한 나노스케일 열흡착 측정이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 그래핀에서 수분 흡착 및 탈착 거동의 온도 의존성을 이해하기 위해.
• 그래핀 층 수와 기저 결함이 수분 핵화 및 구조 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 소수층 수준에서의 표면 전위 변화와 수분 층의 진화 간의 관계를 탐색하기 위해.
• 수분 탈착 및 재흡착 사이클 중에 실시간 SPM 측정을 통해 나노스케일 열흡착 측정의 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 환경 조건 하에서 에피택셜 그래핀 표면의 수분 구조를 이미징하기 위해 스캐닝 프로브 현미경(SPM)을 활용하였다.
• 가열 및 냉각 중 수분 층의 진화를 모니터링하기 위해 온도 의존성 실시간 SPM 측정을 수행하였다.
• 수분 흡착 중 한 층과 두 층 사이의 전자적 성질 변화를 정량화하기 위해 표면 전위 맵핑을 사용하였다.
• 수분 구조 패atters와 기저의 그래핀 결함 또는 응력 간의 상관관계를 분석하였다.
• 단일층, 이중층 및 삼중층 그래핀 영역에서의 수분 흡착 거동을 비교하였다.
• 수분 탈착 및 재흡착 과정 중 인터페이스 에너지 변화를 유추하기 위해 절대 표면 전위 차이를 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온도는 에피택셜 그래핀에서 수분의 탈착 및 재흡착에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 그래핀의 결함과 응력은 흡착된 수분의 핵화 및 패턴 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 그래핀 층 수가 수분의 수소성 및 수분 구조 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 수분 흡착/탈착 사이클 중 그래핀의 표면 전위는 어느 정도 변화하는가?
• RQ5 가열 중 수분 층 진화의 실시간 SPM 관찰을 통해 나노스케일 열흡착을 유추할 수 있는가?

주요 결과

• 환경 조건 하에서 두 번째 및 세 번째 그래핀 계면에서 수분이 고체 유사 구조를 형성한다.
• 그래핀 내 결함과 응력은 강하게 상관되고 반복 가능한 수분 패턴을 유도하여 초기 흡착에서의 핵심적 역할을 함을 시사한다.
• 수분 구조 형태를 통해 그래핀 층 수가 증가할수록 수소성이 증가함을 입증한다.
• 수분 흡착 중 한 층과 두 층 사이에서 절대 표면 전위 차이가 두 배로 증가한다.
• 가열 중 수분 진화의 실시간 SPM 관찰은 나노스케일 열흡착 측정을 위한 직접적인 경로를 제공한다.
• 환경 조건 하에서 탈착 및 재흡착 과정이 완전히 가역적임을 확인하였다.