扫描探针显微镜SPM用于氧化石墨烯的厚度表征

岛津扫描探针显微镜SPM具有快速响应的高速扫描器、独特的头部滑移结构以及丰富的测量模式，除了普通的形貌扫描，还可拓展电流、电势、磁力以及纳米力学测量等功能。本文参考GB/T 40066-2021《纳米技术 氧化石墨烯厚度测量 原子力显微镜法》，使用岛津SPM-9700HT测试了氧化石墨烯样品的表面形貌，并分别采用软件直接读取以及线性拟合的方法获取了氧化石墨烯的厚度值，希望能够对氧化石墨烯的研究提供一定的数据支持。SSL-CA23-023 Excellence in ScienceSPM-022 Excellence i n Science 扫描探针显微镜 SPM 用于氧化石墨烯的厚 度表征 SPM-022 摘要：氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，因经氧化后，其上含氧官能团增多而使其性质较石墨烯更加活泼，可经由 各种与含氧官能团的反应而改善其本身性质，从而具有良好的润湿性能、水分散性和表面活性，将在改善材料的热学、电学、力学等综合性能方面发挥重要作用。本文参考国家标准 GB/T 40066-2021《纳米技术氧化石墨烯厚度测量 原子力显微镜法》，采用岛津扫描探针显微镜测试了氧化石墨烯样品的表面形貌，并通过线性拟合法计算了氧化石 墨烯的厚度，希望对氧化石墨烯的研究提供一定的帮助。 关键词：扫描探针显微镜 氧化石墨烯 厚度 线性拟合法 技术特点： 心利用岛津SPM-9700HT 可简单、快速地表征氧化石墨烯的表面形貌。 心参考 GB/T 40066-2021中的线性拟合法可准确获取氧化石墨烯的厚度值。 石墨烯因具有优异的光、电、力学等性能，被称为 “新材料之王 ”、、“超级材料”等。氧化石墨烯 (graphene oxide， GO) 是石墨烯的氧化物，其结构与石墨烯相似 都为单层原子层状结构。将活性含 氧 基团引入石墨烯上，经过处理后得到经过修饰的石墨烯薄片，这样 可 以增加 活性反应位点，使得氧化 石 墨烯变得更容易进行表面改 性，丰富了功能化的手段，可以有效提高改性氧化石墨 烯与溶剂、聚合物的相容性，使其在有机以及无机复合 材料领域有着更为广阔的应用。 在 氧 化石墨烯的制备和研究中，其物理特性的精确 表征技术和方法是关注的重点之一。其中，厚度测量更 实验部分 是表征氧化石墨烯的首要核心指标。不同 氧 化程度的氧 化石墨烯的厚 度 不同，其性能也不同，因此需要准确表 征和测量氧化石墨烯的厚度。 本文参考国家标准 GB/T 40066-2021《纳米技术 氧 化石墨烯厚度测 量 原子力显微镜法》，使用岛津扫描探 针显微镜 SPM-9700HT 测试了单层氧化石墨烯样品的表 面形貌，并根据该标准中的线性拟合法，对获取的剖面 线中上 二 、、下 台阶的各坐标进行了线性拟合，上台阶和下 台阶之间高度差即为氧化石墨烯样品的厚度，希望对氧 化石墨烯的研究提供一定的帮助。 图1扫 描 探 针 显微镜 SPM-9700HT 1.2分析条 件 功能模式 探 针 扫描环境 动态模式 扫描范围 5 umx5um 弹性常数9N/m 像 素 512×512 大气环境 1.3样品 图 2 样品图片 1.4测试过程 1.将云母用双面胶固定在铁片底座上，用胶带撕去云母表层后，待用； 2.将 GO 溶液超声 1 min 后，用去离子水稀释2倍； 3.将稀释后的 GO溶液滴加在上述新撕的云母上，采用匀浆仪处理一段时间； 4.采用扫描探针显微镜 SPM-9700HT 进行表面形貌测试。 ■结果与讨论 2.1软件直接读取厚度值 随机选取样品的两个区域，使用 SPM-9700HT 的动态模式对 氧 化石墨烯样品进行表面形貌测试，获取了5umx 5 um 的两个区域内的样品表面形貌以及剖面分析(见图3和图4)。在剖面线的上、 下两个台阶上随机选取一 点(见红色线)读取台阶的高度差，即样品的厚度值。两个区域内随机选取的三个样品的剖面线读取的厚度值 见表 1。虽然软件选 取 的单点数据具有随机性，读取的厚度值存在 一 定误差，但是可以通过软件快速读取样品 厚度值的大致范围，具有简单、快速、方便等特点。 A-B 1.37 图3 区域1内 氧化石 墨 烯 的表面形貌和剖面分析 图4 区域2内 氧化石 墨 烯的表面形貌和剖面分析 表1.软件直接读取的厚度 值 剖面线 厚度(nm) 平均值(nm) 标准偏差(nm) A-B 1.19 区域1 C-D 1.11 1.140 0.0356 E-F 1.12 A-B 1.04 区域2 C-D 1.01 1.027 0.0125 E-F 1.03 2.2线性拟合法计算厚度 GB/T 40066-2021《纳米技术氧化石墨烯厚度测量原子力显 微 镜法 》中计算氧化石墨烯样品厚度的方法之 一是将获取的剖面线中的 上 、下台阶的各坐标进行线性拟合，得到两条拟合直线和对应的拟合参数，a1， bi，a2， bz。通过公式(1)计算上、二、下台阶的高度差H，即为上直线和下直线在xr点的距离(样品的厚度)。 式中： H ——样品厚度值，单位为纳米(nm)； xr ——两条拟合直线相邻端点 中 心位置的x坐标； a1， bi——上台阶拟合直线对应的参数值； a2、， bz——下台阶拟合直线对应的参数值。 注：拟合的两条直线应具有相 同 的长度和点数，长度不小于14nm，点数不少于20个点，且这两条直线的 b i 和b，斜率应小于0.1，否则弃用该轮廓线。 将上述形貌图 中 的剖面线数据导入 Or i gin 软件中进行分段线性拟合，获取上、下台阶的拟合直线参数。以区域1中的剖面线A-B为例 ，上、下台阶拟合直线参数见图5。两个区域内的氧化石墨烯样品的厚度值见表 2，其中区域1的 三个氧化石墨烯样品的厚度为(1.018±0.049)nm；区域2的三个氧化石墨烯样品的厚度为 (1.040±0.030) nm。 图5 氧 化石墨烯样品的剖面线拟合图 表2 剖面线拟 合计 算的 厚 度值 剖面线 上台阶拟合直线参数 下台阶拟合直线参数 厚度(nm)平均值(nm)标准偏差(nm) a 截距 b 斜率 a，截距 b 斜率 A-B 1.207 0.00789 0.118 0.0232 0.597 1.080 区域1 C-D 1.109 -0.0392 0.0952 -0.0340 0.341 1.012 1.018 0.049 E-F 1.121 -0.0789 0.139 -0.0252 0.391 0.961 A-B 1.132 -0.0581 0.0241 0.0682 0.305 1.070 区域2 C-D 1.041 0.0218 0.0505 -0.00834 0.305 0.999 1.040 0.030 E-F 1.189 0.0468 0.162 -0.0456 0.255 1.051 此外，为了更加直观且美观地观察氧化石墨烯样品，对 上 述两 个 5 umx5 um范围内的二维图像进行了三 维转换，得到了氧化石墨烯样品的三维形貌图(见图6)。 3.96nm 图6氧化石 墨 烯 样 品的 三维 形貌图 ■总结 岛津扫描探针显微镜 SPM 具有快速响应的高速扫描器、独特的头部滑移结构以及 丰 富的测量模式，除了普 通的形貌扫描，还可拓展电流 、电势、磁力以及纳米力学测量等功能。本文参考 GB/T 40066-2021《纳米技术 氧化石墨烯厚度 测 量原子力显微镜法》，使用岛津 SPM-9700HT 测试了 氧 化石墨烯样品的表面形貌，并分别采 用软件直接读取以及线性拟合的方法获取 了 氧化石墨烯的厚度值，希望能够对氧化石墨烯的研究提供一定的数 据支持。 岛津应用云