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石墨烯和二维材料的原子力显微镜

石墨烯原子力显微镜图像:用原子力显微镜在氮化硼上成像的薄片

2004年Novoselov和Geim关于单层石墨薄膜制造晶体管的报告一夜之间开创了石墨烯原子力显微镜研究领域。这种单一的、独立的碳原子平面已被证明具有许多独特和理想的特性:它具有高表面积、优异的导电性和导热性以及优越的机械强度。石墨烯是一种理想的双面表面,中间没有体积,具有已知的最高室温载流子迁移率,是硅导热系数的25倍,杨氏模量约为1 TPa,断裂强度接近理论极限。因此,突破性技术的潜力很大,包括:下一代电子学(量子计算、自旋电子学);能源收集和储存(光伏、燃料电池、超级电容器);纳米机电(NEMS)器件和谐振器;电化学传感器和芯片上的生物传感器。这也激发了人们对其他2D材料(如MoS)的兴趣2氮化硼薄膜。

原子力显微镜是石墨烯研究中的关键使能技术。它的高(亚埃)分辨率可以轻松区分衬底上的单原子层,并且适合表征薄膜质量,例如形态,粗糙度和均匀性。此外,AFM成像需要探针与表面物理接触,这使得可以同时确定电学和机械性能以及地形。因此,材料的电导率和介电常数、刚度和耗散、粘弹性和摩擦响应等特性可以以纳米级的横向精度绘制出来。在测量过程中,通过将尖端靠近表面,也可以探测到诸如静电荷、表面电位和磁场等远程电学特性。

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计量

  • 膜厚度
  • 粗糙度,形态,均匀性

电气性能

  • 电导率和介电常数(sMIM, CAFM)
  • 表面电位(KPFM)
  • 贮存电荷(EFM)
  • I-V型(CAFM)

磁性

  • 磁力梯度(MFM)

机械性能

  • 刚度,杨氏模量(力曲线,快速力映射,AM-FM)
  • 弹性模量,损耗模量,损耗正切(AM-FM,接触共振,损耗正切成像)
  • 能量耗散(AM-FM,接触共振,损耗切线成像)

摩擦学性能

  • 摩擦(lem)
  • 附着力(力曲线,快速力映射)

热性能

  • 导热系数(SThM)

共同使用

  • 量子计算,自旋电子学
  • 电子电路元件:晶体管、场发射器、互连器、超级电容器
  • 电阻式非易失性存储器技术
  • 用于光电子、光伏和显示技术的透明电极
  • 能源收集和储存:太阳能电池、燃料电池、蓄电池
  • 太赫兹等离子激元振荡器
  • 传感器技术:单分子传感器、电化学传感器、生物传感器、芯片实验室设备
  • 用于(生物)分子和离子运输的半透膜
  • 纳米机电系统和机械谐振器

“从水溶性聚合物粉末中直接生长高结晶度石墨烯”,陈庆,钟艳,黄明,赵国光,甄振中,朱辉,2 d板牙。5, 035001(2018)。https://doi.org/10.1088/2053-1583/aab729

“多晶单层二硫化钼的多端记忆晶体管”,V. K. Sangwan, H. S. Lee, H. Bergeron, I. Balla, M. E. Beck, K. S. Chen, M. C. Hersam,自然554, 500(2018)。https://doi.org/10.1038/nature25747

“石墨烯涂层微球在高接触压力下的鲁棒超润滑性能”,刘世伟,王海平,徐强,马廷彬,余国光,张超超,耿东,余振杰,张树生,王伟,胡永哲,王辉,罗俊,Commun Nat。8, 14029(2017)。https://doi.org/10.1038/ncomms14029

铁电BiFeO的畴壁传导3.T. Rojac, A. Bencan, G. Drazic, N. Sakamoto, H. Ursic, B. Jancar, G. Tavcar, M. Makarovic, J. Walker, B. Malic和D. Damjanovic,Nat。板牙。16, 322(2017)。https://doi.org/10.1038/nmat4799

“一种减少石墨烯摩擦的新方法,”曾x,彭宇,和H. Lang,118, 233(2017)。https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.042

室温下的铁电性2年代6“超薄薄片”,刘峰,尤莉,K. L. Seyler,李翔,于平,林杰,王晓霞,周杰,王洪辉,何鸿辉,S. T. Pantelides,周伟,P. Sharma,徐翔,P. M. Ajayan,王杰,刘正志,Commun Nat。7, 12357(2016)。https://doi.org/10.1038/ncomms12357

“通过芳基重氮化学对脱落黑磷的共价官能化和钝化”,C. R. Ryder, J. D. Wood, S. A. Wells, Y. Yang, D. Jariwala, T. J. Marks, G. C. Schatz和M. C. Hersam,Nat,化学。8, 597(2016)。https://doi.org/10.1038/nchem.2505

“分子束外延在六方氮化硼上生长的应变工程石墨烯”,A. Summerfield, A. Davies, T. S. Cheng, V. V. Korolkov, Y. J. Cho, C. J. Mellor, C. T. Foxon, A. N. Khlobystov, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. Eaves, S. V. Novikov, P. H. Beton,科学。代表。6, 22440(2016)。https://doi.org/10.1038/srep22440

大面积外延单层MoS2D. Dumcenco, D. Ovchinnikov, K. Marinov, P. laziki, M. Gibertini, N. Marzari, O. Lopez Sanchez, y . c .;Kung, D. Krasnozhon, m.w。陈,S. Bertolazzi, P. Gillet, A. Fontcuberta i Morral, A. Radenovic和A. Kis,ACS Nano9, 4611(2015)。https://doi.org/10.1021/acsnano.5b01281

“高性能宽带光电探测器的平面碳纳米管-石墨烯混合薄膜”,刘毅,王峰,王晓霞,王晓霞,E. Flahaut,刘晓霞,李艳,王晓霞,徐艳,石艳,张仁,Commun Nat。6, 8589(2015)。https://doi.org/10.1038/ncomms9589

单层MoS中晶界介导的栅极可调记忆现象2,“V. K. Sangwan, D. Jariwala, I. S. Kim, K. S. Chen, T. J. Marks, L. J. Lauhon, M. C. Hersam,Nanotechnol Nat。10, 403(2015)。https://doi.org/10.1038/nnano.2015.56

“原子薄的氮化硼纳米片的强抗氧化性”,L. H. Li, J. Cervenka, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Chen,ACS Nano8, 1457(2014)。https://doi.org/10.1021/nn500059s

“石墨烯的氟化由于波纹的增加而增强了摩擦,”李强,x - z。刘,S.-P。金,V. B.谢诺伊,P. E.希恩,J. T.罗宾逊和R. W.卡匹克,Nano。14, 5212(2014)。https://doi.org/10.1021/nl502147t

探索平地:石墨烯、MoS的机械和电学特性的AFM2和其他低维材料,”S. Bertolazzi, J. Brivio, A. Radenovic, A. Kis, H. Wilson, L. Prisbrey, E. Minot, A. Tselev, M. Philips, M. Viani, D. Walters和R. Proksch,显微镜和分析27, 21(2013)。杂志链接

“可扩展一步湿纺石墨烯纤维和液态氧化石墨烯分散体纱线:迈向多功能纺织品”,R. Jalili, S. H. Aboutalebi, D. Esrafilzadeh, R. L. Shepherd, J. Chen, S. Aminorroaya-Yamini, K. Konstantinov, A. I. Minett, J. M. Razal, G. G. Wallace,放置功能。板牙。23, 5345(2013)。https://doi.org/10.1002/adfm.201300765

“摩擦力显微镜:一种识别粗糙衬底上石墨烯和绘制铜上石墨烯颗粒方向的简单技术,”a . J. Marsden, M. Phillips和N. R. Wilson,纳米技术24中文信息学报,255704(2013)。https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/25/255704

“CVD石墨烯中电导率不均匀性的近场微波扫描探针成像”,A. Tselev, N. V. Lavrik, I. Vlassiouk, D. P. Briggs, M. Rutgers, R. Proksch,和s.v. Kalinin,纳米技术23, 385706(2012)。https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/38/385706

“超薄MoS的拉伸和断裂2S. Bertolazzi, J. Brivio和A. Kis,ACS Nano5, 9703(2011)。https://doi.org/10.1021/nn203879f

“单层石墨烯原子拼接被子的晶粒和晶界”,黄p.y., c.s. Ruiz-Vargas, a.m. van der Zande, w.s. Whitney, m.p. Levendorf, J. W. Kevek, S. Garg, J. S. Alden, C. J. Hustedt, Y. Zhu, J. Park,自然469, 389(2011)。https://doi.org/10.1038/nature09718

“多重折叠石墨烯”,K. Kim, Z. Lee, B. D. Malone, K. T. Chan, B. Aleman, W. Regan, W. Gannett, M. F. Crommie, M. L. Cohen和A. Zettl,理论物理。启B83, 245433(2011)。https://doi.org/10.1103/physrevb.83.245433

“单层金属氧化物半导体2B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti和A. Kis,Nanotechnol Nat。6, 147(2011)。https://doi.org/10.1038/nnano.2010.279

“在碳电极之间使用磁增强电弧放电的石墨烯薄片的大规模生产,”I. Levchenko, O. Volotskova, A. Shashurin, Y. Raitses, K. Ostrikov和M. Keidar,48, 4570(2010)。https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.07.055

“单层碳化硅晶圆上多层堆叠生长的多层大面积石墨烯片的逐层转移,”S. Unarunotai, J. C. Koepke, c -l。蔡,F. Du, C. E. Chialvo, Y. Murata, R. Haasch, I. Petrov, N. Mason, M. Shim, J. Lyding, J. A. Rogers,ACS Nano4, 5591(2010)。https://doi.org/10.1021/nn101896a

“从底层SiO中有效掺杂单层石墨烯2“基材”,石勇,董旭,陈平,王俊,王立军。李,理论物理。启B79, 115402(2009)。https://doi.org/10.1103/physrevb.79.115402