单层石墨烯的厚度为0.335nm，在垂直方向上有约1nm起起落落，不同工艺制备的石墨烯形状不同，层数和结构不同，但无论*终产品或多或少混合多层石墨烯，都会干扰单层石墨烯的识别，如何有效识别石墨烯的层数和结构是获得优质石墨烯的关键步骤之一。本文的编辑将揭示石墨烯AFM测试。
石墨烯的表征主要分为光学显微镜透射电镜TEM扫描电子显微镜，SEM和原子力显微分析AFM图谱类主要是拉曼光谱Ra ** n红外光谱IRX射线光电子能谱，XPS和紫外光谱UV为代表其中TEM、SEM、Ra ** n、AFM和光学显微镜一般用来判断石墨烯的层数而IRX、XPS和UV石墨烯的结构可以用来监测石墨烯的合成过程。本文主要揭示石墨烯的秘密AFM测试。
AFM表征图1 AFM工作原理图2 AFM三种工作模式关于AFM这里就不多说原理了，目前常用AFM主要有三种工作模式：接触模式、轻敲模式和非接触模式。这三种工作模式各有特点，适用于不同的实验需求。
石墨烯的原子力表征一般采用轻敲模式（TappingMode）：
敲击模式介于接触模式和非接触模式之间，这是一个杂化的概念。悬臂以其共振频率在样品表面上方振荡，针尖仅定期短暂接触/敲击样品表面。这意味着针尖接触样品时产生的侧向力显著降低。因此，当检测到柔软的样品时，AFM敲击模式是*佳选择之一。AFM样品开始成像扫描，装置立即将相关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的*大距离等，用于物体表面分析。
优点：消除横向力的影响。减少吸附液层引起的力，图像分辨率高，适用于观察软、易碎或粘性样品，不会损坏其表面。
缺点：比Contact Mode AFM扫描速度慢。
AFM石墨烯原理的表征AFM可用于了解石墨烯的细微形状和确切厚度信息，属于扫描探针显微镜，利用针尖与样品之间的相互作用力感知微悬臂，然后通过激光反射系统检测悬臂弯曲变形，间接测量针尖样品之间的力，反映样品的表面形状。因此，表征方法主要表示片层厚度、表面波动和台阶，以及层间的高差。
原子力显微技术是判定是否是石墨烯的*好的表征方法，因为能够直接用它就能观察到石墨烯的表面形貌，同时还能测出此石墨烯的厚薄程度，然后再与单层的石墨烯的厚度进行对比，从而确定是否存在单层石墨烯。但是AFM另一个缺点是它的效率很低。这是因为石墨烯表面经常有一些吸附剂，这将使测量的石墨烯厚度略大于其实际厚度。
图3 石墨烯及其结构图AFM图像[1,2]图3中a显示单层碳原子紧密排列形成的二维点阵结构；图b石墨烯显示AFM扫描探针显微结构中的图像，AFM它的表面形状可以直接观察和测量厚度，但*大的缺点是效率低。此外，由于表面不纯净，经常有吸附剂，因此测量的厚度略大于实际厚度。
AFM表征和图像分析的例子不同基底对厚度的影响
AFM 表征是鉴别石墨烯*直观的证据，其存在可以通过表面形状和厚度来确定。缺点是效率低。同时，由于基底的影响和表面吸附剂的存在，实际厚度往往高于石墨单原子层的理论厚度（0.34nm）要大。
如 HOPG 单层石墨烯的厚度约为 0.4nm，单层石墨烯的厚度通常是 0.5-1nm，氧化物基底上单层石墨烯的厚度约为0.8-1.2nm伴随着0.35nm左右叠加层(图4)，与范德华力层间距一致。
图 4 SiO2 单层石墨烯 AFM 高度图。图中比例尺为 1 μm图片 5 a 单层石墨烯在SiO2衬底上的AFM图。b云母衬底上的单层石墨烯AFM图。c云母衬底上的单层石墨烯，云母衬底，石墨烯片层SiO2衬底上以及SiO2衬底高度统计分布图[4]。对于 GO (氧化石墨烯或石墨氧化物)rGO(还原氧化石墨烯)由于其表面含有大量的含氧官能团，AFM 单层厚度和表面粗糙度大于原石墨烯（pristine graphene），如单层 GO 在云母表面的厚度约为 0.8-1.0nm，表面为 2nm左右。Lui 和其他研究人员[4]发现，沉积在基底表面的石墨烯在表面形成波纹起伏，以保持其稳定性，当沉积在云母表面时，表面粗糙度*小，是*平的石墨烯（图 5）。
GO、rGO与Graphene的AFM图区别
氧化后，石墨的层间距会增加到0.77nm左右。在云母片等基础上吸附剥离的氧化石墨烯会增加0.35nm左右附加层，所以单层氧化石墨烯在AFM下观测到的厚度一般在0.7-1.2nm左右。将氧化石墨烯沉积在云母片上，用蔗糖溶液还原AFM如图6所示，图中高度剖面图（ΔZ）对应图中的两点（Z1、Z2）高差是石墨烯的厚度。同时，如果在石墨烯片层两端选择直线测量点，也可以粗略测量石墨烯片层的横向尺寸（distance）。
图6 石墨烯AFM图像和高度剖面图[5]通过不同的还原方法GO、rGO的AFM区别
Si 等待[6]为还原剂制备硼氢化钠RGO 研究。通过观察AFM 图像，他们发现了GO 的横向尺寸为几微米，厚度为1nm，但化学还原为RGO 之后，它的横向尺寸从几百纳米变几微米，厚度约为1.2nm。实验过程中的超声处理可能会使GO 引入一些小孔缺陷，这也是AFM 显示RGO 厚度增加到10μm 的原因。
Chen 等[7]也用微波还原GO得到RGO。AFM分析表明厚度为0.8nm的GO，微波还原产品GNS厚度约为0.45nm，接近于GNS 理论厚度(约为0.35nm）。而当GO当环氧基、羟基和羧基存在于边缘时，GNS 片层厚度会增加。说明微波处理后，GO还原为单层GNS。这种方法可以制备微米尺寸GNS。
Williams 等[8]用UV处理GO得到RGO。AFM 图显示，GO的厚度为1.7nm，而经UV 处理后厚度仅为0.9nm，从几百纳米到几个微米的横向尺寸。RGO比GNS 理论厚度要大得多，主要是因为RGO一些溶剂分子和残余氧存在于纳米片的边缘。
AFM石墨烯的优缺点扫描电镜很难观察到单层石墨烯的理论厚度。原子力显微镜是表示石墨烯片层结构*强大、*直接、*有效的工具。它能清楚地反映石墨烯的横向尺寸、面积和厚度，但通常只能用来区分单层或双层石墨烯。
原子力显微镜可以表示单层石墨烯，但也有缺点：耗时，在表示过程中容易损坏样品；此外，由于C键之间的相互作用，表示误差0.5nm甚至更大，远大于单层石墨烯的厚度，大大降低了表征精度。
由于石墨烯的厚度只有一到几个原子层，晶体缺陷和表面吸附材料的差异会导致不同的表征结果。在实际研究中，通常需要根据需要选择合适的表征方法来比较结果，并相互确认，以获得关于石墨烯的准确信息。
基于本文封面CC0协议。
本文为e测试原创文章，如需转载，请联系fangl@van-research.cn
e测试、科研资源共享和专业测试分析平台，专业、高效，使科研更加简单。
