膜表面

—— 用于表面化学表征的全集成式X射线光电子能谱仪 　　2009年12月19日，MADISON – 服务科学的世界领导者赛默飞世尔科技近日宣布，全新Thermo Scientific Escalab 250Xi光电子能谱仪（XPS）是一种全集成式表面表征工具，专门设计用于满足从事表面，薄膜和涂层的常规表征工作，乃至前沿表面化学研发的工程师们的要求。 　　Escalab 250Xi是享誉世界的Thermo Scientific Escalab产品线的最新产品。该全新设备集成了出色的光谱仪性能和Thermo Scientific Avantage XPS采集和处理用户界面。这种仪器与软件的组合不仅具有高样品通量，而且具有市场领先的分析性能，尤其适用于当今表面分析领域中复合材料的表征。另外，高级平行图像监测系统的集成可对图像视场内的微小特征进行定量光谱分析。 　　Avantage数据系统利用一种优化的工作流程提供优异的分析效率，该流程可以指导分析人员进行数据采集，解析，处理和报告生成。Avantage在进行一系列XPS光谱和图像处理任务时，还具有全数字工具控制。只需点击一下鼠标，即可利用自定义的实验室报告模板轻松将分析报告输出到标准PC应用程序中，例如Microsoft® Office。 　　Escalab 250Xi平台具有非凡的灵活性，因此分析人员可以利用一系列其他表面表征工具配置该系统。仪器配备了离子散射谱（ISS）和反射电子能量损失谱（REELS），同时可选配紫外光电子能谱（UPS）和俄歇电子能谱（AES）。仪器的标准配置还包括了样品制备室。如果需要，可以利用样品制备选项和附加的实验样品室扩展该系统。 　　关于赛默飞世尔科技（Thermo Fisher Scientific） 　　赛默飞世尔科技 （Thermo Fisher Scientific)（纽约证交所代码：TMO）是全球科学服务领域的领导者，致力于帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。公司年销售额超过105亿美元，拥有员工约3万4千人，在全球范围内服务超过35万家客户。主要客户类型包括：医药和生物公司，医院和临床诊断实验室，大学、科研院所和政府机构，以及环境与工业过程控制装备制造商等。公司借助于Thermo Scientific和Fisher Scientific这两个主要的品牌，帮助客户解决在分析化学领域所遇到的从常规测试到复杂研发的各种挑战。Thermo Scientific能够为客户提供一整套包括高端分析仪器、实验室装备、软件、服务、耗材和试剂在内的实验室综合解决方案。Fisher Scientific为卫生保健、科学研究、安全和教育领域的客户提供一系列实验室装备、化学药品及其他用品和服务。赛默飞世尔科技将努力为客户提供最为便捷的采购方案，为科学研究的飞速发展不断改进工艺技术，提升客户价值，帮助股东提高收益，为员工创造良好的发展空间。更多信息，请浏览公司网站：www.thermofisher.com （英文）或www.thermo.com.cn （中文）。

摘要石墨类碳材料在电极，吸附，催化载体以及固体润滑剂方面有着极其广泛的应用。了解它们和水之间的相互作用对于基础材料的表征以及实际装置的制备都起着关键作用。曾经，普遍的观点都认为石墨碳材料表面是疏水的。然而，美国匹兹堡大学Kozbial等人发表在国际顶级杂志Accounts of Chemical Research上的最新研究发现：石墨表面本质上是亲水的，而由于表面吸附了空气环境中的烃类污染物，才造成石墨烯表面的疏水性。研究回顾在石墨烯的各类应用中，表面性能的精准控制（例如黏附、摩擦和表面能）是非常必要的。润湿性不仅是表征表面性能的重要参数，而且还直接影响了电子掺杂和载体可移动性。在1940年， Fowkes and Harkins首次报道了天然石墨的接触角为85°度左右。其他学者研究不同石墨类碳材料时得出的结果也与该值相接近。碳纳米管以及石墨烯的润湿性研究结果也表明他们都是疏水的。所有的这些研究都表明sp2杂化形式的石墨类碳材料都是疏水的。润湿性的不同观点：1. Tadros等人采用捕泡法测试出表面干净的各项同性的石墨，其前进角为63° (53 °C)。但他们的工作主要集中在研究等温吸附上，而不是润湿性，所得出结论不十分可靠。2. Schrader发现石墨在室温下和超真空条件下被剥离后的接触角值为35°。但是，超高真空会造成水的蒸发，造成较低的接触角。进一步提出石墨疏水是由于石墨被疏水的有机物污染。研究思路为了解决以上问题，美国匹兹堡大学Kozbial教授重新设计了实验，并用KRÜ SS DSA100接触角测试仪表征材料的接触角和表面能。室温下，研究了新鲜石墨烯和剥离的高度有序热解石墨表面的接触角与时间的变化。结果表明暴露在空气中时，接触角与时间具有相依性（图1）。之前研究者们也用同样的方法研究了金的润湿性，由于金的表面吸附了空气中的烃类污染物，造成金的疏水性。而二氧化硅和稀土氧化物等陶瓷材料的接触角也表现出同样的性质。因此Kozbial教授提出，石墨类碳材料是否也因为表面吸附了空气中的烃类污染物才变得疏水呢？图1.铜基石墨烯，镍基石墨烯和石墨的水接触角数据。（1）衰减全反射红外光谱分析利用衰减全反射红外光谱法，采集了新鲜和老化的石墨烯的表面数据。结果表明，石墨烯在空气中暴露10分钟后，出现了明显的亚甲基（&minus CH2&minus ）的峰（图2a），这说明有烃类物质吸附在了石墨烯表面。此外，亚甲基峰强度随着暴露时间的增长而变强，同时接触角和ATR-FTIR的数据也表现出相似的趋势。如下：干净表面的石墨烯具有较低的接触角和较弱的亚甲基峰接触角和亚甲基峰强度随着在空气中暴露的时间增长而增加，60分钟之后都不再发生明显的变化。（2）XPS分析采集新鲜石墨烯和老化2天石墨烯的C1s XPS数据。285eV附近的强峰来自于石墨烯碳原子（图2b）。不同的是，在285.7 eV处有一个更正的峰以及在287.6 eV附近出现了一个肩峰，这都说明了烃类物质的存在。随后也采集了新鲜石墨和老化2天石墨的ATR-FTIR数据。因此，对于石墨烯和石墨而言，新合成或者新剥离得到的表面是没有烃类物质的，而在空气中暴露老化之后，是有烃类物质吸附的。图2. 铜基石墨烯的(a) ATR-FTIR和(b) XPS图谱，石墨的ATR-FTIR图谱(c)，(d)烃类物质吸附膜厚度和接触角石墨在空气暴露时间的变化关系（3）椭圆偏振分析通过该技术研究发现，石墨表面开始暴露在空气中后，烃类物质吸附膜的厚度逐渐增加，在60分钟时达到峰值，随后曲线出现平台。引起了这一变化时，石墨表面生成了&sim 6&angst 厚的烃类物质层。综上，ATR-FTIR，XPS以及椭圆偏振法都表明石墨表面本质上是温和亲水的，吸附烃类物质后才变的疏水。（4）表面能分析表面能是固体物质重要的表面性质，它不仅决定材料表面的润湿性，更深深影响着粘附性、摩擦性以及其他的表面或界面性能。基于四种测试液体的接触角数据，通过三种常见的模型Neumann，Fowkes和Owens&minus Wendt计算了新鲜和老化石墨表面的表面能。图3表明石墨烯和石墨的表面能随着暴露时间增长而逐渐降低。新鲜表面的表面能最大，老化表面的表面能最小。造成这种结果的原因是空气中烃类物质的吸附过程带来的热力学驱动力降低了总表面能。图3 新鲜和老化石墨烯，石墨的表面能图及极性和非极性分量总结烃类污染物不仅影响石墨类材料表面的润湿性还影响了其粘附性和吸附性。因此，开发有效的去除和抑制烃类污染物对于操控石墨表面性能是非常关键的。此障碍在未来获得突破后，石墨烯基装置的成功制备也就为时不远了。参考文献Kozbial, A., Zhou, F., Li, Z., Liu, H., & Li, L. Are Graphitic Surfaces Hydrophobic. Accounts of Chemical Research 2016.

石墨烯和石墨表面的共价修饰纳米图案研究人员在本文中展示了一种共价修饰的方法，并由此在石墨烯以及高定向热解石墨（HOPG）的表面成功地控制了纳米图案的形成过程。他们在对制得的样品进行了纳米级的表征后发现可以通过改变电化学反应的条件来调控所得纳米图案的尺寸。这种可以在表面构建纳米图案结构的方法使得目前电子产品微型化这一趋势可以进一步发展，同时也有益于其它各种各样纳米技术的应用。虽然目前已经存在一系列的自下而上的技术（也就是从单个分子的基础上搭建特定结构 ）并被应用于在石墨烯以及HOPG基底上形成纳米图案结构。但是这些结构通常由非共价键形成，因此其稳定性受到很大的局限。 由来自比利时、越南和英国的科研人员组成的团队报道了一种通过共价修饰来控制纳米图案形成的方法。石墨的表面暴露在电解液中，而电解液包含了芳基重氮盐 NBD（4-nitrobenzenediazonium）以及TBD（3,5-bis-tert-butylbenzenediazonium）。然后在电化学池中通过循环伏安法以及计时电流法进行接枝反应。 研究人员通过原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）对样品进行了表征并在修饰后的石墨烯或HOPG表面发现了近乎圆形的斑点。这种结构被称为”nanocorrals”，研究人员认为其是由实验过程中在近表面形成的气泡引起的。AFM图像表明这种nanocorral的直径（约为45-130 nm）以及密度（20−125/μm2）可以通过分别改变电化学活化条件以及电解质比例的方法来进行人为调控。 这一实验方法可以十分便捷的制备出可调控的图形结构，可以在纳米约束反应中用作微小的“培养皿”。这种方法还可以促进超分子自组装领域以及其它表面反应的研究。Instrument usedCypher ES Techniques used研究人员通过循环伏安法制得样品后，借助了牛津仪器快速扫描AFM Cypher ES，以轻敲模式(tapping mode)对样品的表面形貌进行了纳米级的表征。Cypher ES具备着对样品环境进行精确控制的能力，在本实验中研究人员由此保持了样品处于32°C的恒温下。除了精确的多元环境控制功能，Cypher ES还具备着快速扫描、简单易用以及优于传统AFM的空间分辨率等优点。 Citation: Thanh Phan, Hans Van Gorp, Zhi Li et al., Graphite and graphene fairy circles: a bottom-up approach for the formation of nanocorrals. ACS Nano 13, 5559 (2019). https://doi.org/10.1021/acsnano.9b00439 Note: The data shown here are reused under fair use from the original article, which can be accessed through the article link above.