[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究利用扫描探针显微镜（SPM）研究了在4H-SiC(0001)上外延生长的少层石墨烯上水的可逆脱附与再吸附行为。结果表明，在环境条件下，水在第二和第三层石墨烯上形成类固态结构，其成核过程受缺陷影响，且在一和两层石墨烯之间表面电势出现两倍变化，从而可通过原位热演化观测实现纳米尺度吸附热的测量。

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.

研究动机与目标

• 理解水在外延石墨烯上吸附与脱附的温度依赖行为。
• 研究石墨烯层数及底层缺陷在外延石墨烯上水成核与结构形成中的作用。
• 探讨少层石墨烯上表面电势与水层演化之间的关系。
• 评估利用原位SPM测量水脱附/再吸附循环过程中纳米尺度吸附热的可行性。

提出的方法

• 采用扫描探针显微镜（SPM）在环境条件下成像外延石墨烯上的水结构。
• 进行原位温度依赖性SPM测量，监测加热和冷却过程中水层的演化。
• 利用表面电势映射量化水吸附过程中单层与双层石墨烯之间电子性质的变化。
• 分析水结构图案与底层石墨烯缺陷或应变之间的相关性。
• 对比单层、双层和三层石墨烯区域上的水吸附行为。
• 测量绝对表面电势差，以推断水脱附和再吸附过程中界面能的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 温度如何影响外延石墨烯上水的脱附与再吸附行为？
• RQ2 石墨烯缺陷与应变在外延石墨烯上吸附水的成核与图案形成中起什么作用？
• RQ3 石墨烯层数如何影响其疏水性及水结构的形成？
• RQ4 在水吸附/脱附循环过程中，石墨烯的表面电势变化程度如何？
• RQ5 能否通过原位SPM观察水层演化来推断纳米尺度吸附热？

主要发现

• 在环境条件下，水在外延石墨烯的第二和第三层上形成类固态结构。
• 石墨烯中的缺陷与应变导致水图案高度相关且可重复，表明其在外延石墨烯初始吸附过程中起关键作用。
• 水结构形貌表明，疏水性随石墨烯层数增加而增强。
• 在水吸附过程中，单层与双层石墨烯之间观察到绝对表面电势差出现两倍变化。
• 原位SPM观测加热过程中水的演化，为直接测量纳米尺度吸附热提供了有效途径。
• 在环境条件下，脱附与再吸附过程完全可逆。