3.1 表面形态表征

在大多数情况下，石墨烯层数的特征信息对于石墨烯最终应用影响极大，因为石墨烯材料的物理及化学性质严格取决于其层数。因此，石墨烯的可视化显得尤为重要，因为它可以提供石墨烯的形状、尺寸和形态等信息。石墨烯材料的表面形态表征主要通过光学显微镜（optical microscope,OM）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）、透射电子显微镜（transmission electron microscope,TEM）、扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope,STM）和原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）等仪器实现。

3.1.1 光学显微镜

石墨烯仅有一个碳原子层的厚度，在光学显微镜（OM）下即可完成石墨烯的形貌表征。OM是一种对大面积石墨烯样品进行直接有效的无损表征的仪器。利用OM，可以通过石墨烯层与底层介质基底之间的对比度来表征石墨烯的层数，还可以观察石墨烯薄片的大小和形状，而且可以实现快速观察大面积的样品，有利于生产过程的快速检测。但是使用OM表征石墨烯涉及基底的设计，这对于石墨烯晶体的可视化和片层的区分具有重要意义。石墨烯的OM表征研究中的一个关键点是寻找到合适的基底，从而使单层碳原子在波长范围内的光学对比度最大化，以便实验者观察。目前，通常采用涂有二氧化硅的硅片（SiO ₂ /Si）作为基底，调整二氧化硅的厚度约为90nm或290nm，在波长为550nm处，反射光强度达到最大，人眼的敏感度也达到最大。OM技术是区分单层石墨烯和多层石墨烯的最直观的技术，可根据不同层数石墨烯的光学衬度来粗略估算石墨烯的层数。丁荣最近报道了利用OM观测石墨烯，进一步精确表征了石墨烯的层数，为石墨烯的可控制备及物性研究奠定了基础（图3-1）。

使用OM测试石墨烯粉体样品的主要步骤如下。① 选择适当的溶剂分散样品，以达到约0.1mg/mL的浓度。通过观察样品的沉降来确定溶剂的适用性。首先，应尝试在去离子水中分散，然后在异丙醇（IPA）中分散，如果这两种溶剂都不适合，最后使用 N -甲基吡咯烷酮（NMP）。将分散液置于玻璃瓶中搅拌，并使用超声波浴（30～40kHz）处理10min。② 将制备的分散液沉积在SiO ₂ /Si基底上，使得大部分单个石墨烯薄片彼此隔离。首先将清洁的SiO ₂ /Si基底放在电热板上，并将温度设定为略高于溶剂的沸点。然后将10μL的分散液滴加到SiO ₂ /Si基底上，使其表面上留下分散良好的石墨烯薄片层。最后将样品在40℃的真空烘箱中放置2h或更长时间，以减少溶剂和表面活性剂残留物。③ 使用OM快速评估所制备样品的适用性，并确定石墨烯薄片的横向尺寸和厚度。为了能够测量石墨烯薄片的横向尺寸和厚度，样品必须尽可能地分开，以确保测量的数值是针对单个薄片的，并且没有来自其他薄片的干扰，同时基底上的石墨烯薄片要尽可能丰富。如果样品中石墨烯薄片的横向尺寸大于OM的最大分辨率（约200nm），这样样品的OM成像则可以提供横向薄片尺寸的定性证据。

3.1.2 扫描电子显微镜

扫描电子显微镜（SEM），简称扫描电镜，是利用扫描电子束从固体物质的表面得到的反射电子图像在阴极摄像管的荧光屏上扫描成像的。与OM相比，SEM能够实现数十纳米的横向分辨率。SEM的成像衬度主要由形貌反差、原子序数反差和电压反差构成。入射电子束与物质相互作用，除产生二次电子外，还可产生背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、X射线及阴极荧光等信号。使用相应的探测器接受这些信号并放大，就可以获得由上述不同信号形成的图像，如常见的二次电子像、背散射电子像、俄歇电子像及能量色散X射线谱（X-ray energy dispersive spectrum,EDS）等。利用SEM，可以获得样品的形貌信息（表面特征）、形态信息（表面颗粒的形状和大小）、成分信息（表面元素和化合物及其数量）和晶体信息（原子排列）。

SEM下观察到的单层石墨烯样品一般具有一定褶皱厚度的不均匀表面（图3-2）。为了降低其表面能，单层石墨烯的形貌容易由二维转变为三维。因此，单层石墨烯的表面褶皱明显大于双层石墨烯。

在大尺度范围内，通过SEM可以观察到大面积的石墨烯片层。如图3-3所示，可以明显看到单层石墨烯以及折叠和重叠形成的双层石墨烯和三层石墨烯。通过不同成像衬度的对比，可以粗略估计石墨烯片层的层数。另外在石墨烯粉体材料中，图3-4中的三维石墨烯微球也得到了广泛的研究。

通常SEM用来分析样品的表面形貌，并可利用其附带的EDS对样品成分进行分析。因此，可用SEM对石墨烯材料样品的表面形貌进行观察分析，并对其元素组成进行定量分析。

使用SEM表征石墨烯时出现的问题主要包括样品表面的荷电效应及碳质材料在电磁镜头表面上的沉积。虽然这些问题尚未完全解决，但通过将石墨烯薄片沉积到仅具有导电性能的硅片（Si）上，则可以降低观察到的荷电效应。因此在准备SEM样品时，应该参照OM的成像结果，将10μL的石墨烯分散液滴加到清洁的Si基底上，使其表面上留下分散良好的石墨烯薄片层。同时样品应该在40℃的真空烘箱中放置2h或更长时间，以减少溶剂和/或表面活性剂残留物。由于石墨烯本身的导电性能，制备的样品不需要再沉积任何导电层（例如金），而且这样的导电层会影响对石墨烯薄片尺寸的评估。

当选用SEM表征样品时，应将SEM图像配置设置为二次电子能谱，并且使用5kV或更低的加速电压来最小化荷电效应。在优化设置时，避免在感兴趣的区域进行优化，因为长时间的停留将影响该区域中样品结构。为了确定石墨烯薄片尺寸的横向分布，必须使用一系列放大倍数，还必须对样品的不同区域进行成像，直到隔离薄片的数量超过200片，这样才可以确定其横向尺寸的范围和频率。

3.1.3 透射电子显微镜

透射电子显微镜（TEM），简称透射电镜，是利用电磁透镜使电子束聚焦成像，具有极高的放大倍数和分辨率。将经加速和电磁透镜聚集的电子束照射到非常薄的样品上，可以产生吸收电子、透射电子、二次电子、背散射电子和X射线等信号，利用这些信号成像就可以得到不同的图像。TEM就是利用透射电子来成像的。上述电子与样品相互作用而发生吸收、干涉、衍射和散射四种物理过程。TEM的成像衬度主要包括振幅衬度和位相衬度，其中振幅衬度又包括质厚衬度和衍射衬度。利用TEM的这些成像衬度，可以很好地观察石墨烯表面的微观形貌，并且可以得到悬浮石墨烯的清晰结构和原子尺度细节。

图3-5和图3-6显示了石墨烯样品的TEM表征结果。从图中可以看出，石墨烯样品呈透明状，说明其非常薄而且厚度均匀。在某些区域中可以观察到褶皱，这是由石墨烯薄片重叠或边缘卷曲造成的。从高分辨率图像中可以看出，石墨烯样品的表面纹理明显、光滑、有序。石墨烯样品的电子衍射图为六角形衍射斑点，说明其晶格结构相对完整。

（a）～（c）不同位置的TEM图；（d）剖面TEM图；（e）（f）电子衍射图

采用高分辨透射电子显微镜（high resolution transmission electron microscope,HRTEM）可以对石墨烯进行原子尺度表征，HRTEM是石墨烯结构表征中功能强大、使用频繁、可靠的表征技术之一。Das等利用HRTEM观察悬浮在铜网微栅上的石墨烯，可以观察到石墨烯的原子结构及缺陷。如图3-7（a）所示，样品的中心区域存在大面积的石墨烯薄膜。在图3-7（b）中，可以直观地观察到石墨烯的二维蜂窝状点阵结构。Guo等通过HRTEM观察到了石墨烯中的原子、原子排列、堆积顺序和缺陷等。TEM表征石墨烯粉体样品的关键步骤如下。① 准备清洁的TEM支撑网格。首先用异丙醇或类似溶剂清洗TEM支撑网格，然后在200℃的真空中烘烤几小时。② 通过简单的滴铸方法将石墨烯薄片沉积到TEM支撑网格上（参考3.1.1小节中如何配制石墨烯均匀分散液）。为了避免石墨烯薄片在TEM支撑网格上团聚，特别是如果需要长时间蒸发溶剂时，应在滴铸期间从TEM支撑网格的下侧芯吸溶液或者加热TEM支撑网格。当每个TEM支撑网格中有多个石墨烯薄片但没有发生重叠时，可以获得理想的覆盖率。如果TEM支撑网格上的石墨烯薄片太少，则可以重复滴铸。③ 在将上述支撑网格装入TEM之前，将样品置于150℃的真空中烘烤约8h。这样可以减少污染物，从而降低对成像的干扰。④ 由于不需要倾斜样品，使用单或双倾斜样品支架可以让石墨烯薄片平铺在TEM支撑网格上。⑤ 使用80kV或更低的加速电压操作TEM。这样可以降低在成像过程中电子撞击损坏样品的可能性。另外，TEM中的真空质量也可能影响石墨烯薄片的损伤敏感性（超高真空下石墨烯薄片的损伤率较低）。⑥ 在明视场TEM成像模式中，以适当的放大倍数进行扫描直到识别出第一个石墨烯薄片，同时改变放大倍数并记录其整个图像。⑦ 在TEM成像模式下，找到石墨烯薄片的平坦区域，首先插入可用的最小光圈并切换到衍射模式，记录六边形选定区域的电子衍射图案；然后在石墨烯薄片的不同区域获取更多电子衍射图案。对于非常小的石墨烯薄片，应该使用纳米束衍射模式。⑧ 增加放大倍数，观测并记录石墨烯薄片的晶格分辨率图像。这些图像可以用来确认石墨烯薄片的厚度。

3.1.4 扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜（STM）是一种利用量子隧穿效应探测物质表面结构的仪器。STM是扫描探针显微镜（scanning probe microscope,SPM）的一种，是基于对探针和物质表面之间隧穿电流进行探测，可以观察到物质表面上单原子级的起伏。此外，低温下可以利用探针尖端精确操纵单个分子或原子，因此STM不仅是重要的微纳尺度测量工具，也是颇具潜力的微纳加工工具。STM具有比同类型显微镜更高的空间分辨率，甚至可以观察和定位单个原子，为人们研究纳米尺度体系和操控纳米结构单元提供了强有力的工具。

利用STM对石墨烯的原子级形貌进行观测，发现石墨烯具有良好的导电性，因此仅在STM探针尖端和石墨烯之间发生隧道效应，石墨烯本身和附着在薄片边缘的金电极为这些实验中的电子提供了返回路径。在测量中，设置偏置电压为1V的采样电位（STM图在低偏置电压下不稳定），并且选择1nA的隧道电流。在被确定为由单层石墨烯组成的区域中观察到蜂窝结构，图3-8（a）显示了单层石墨烯1nm ² 区域上的STM图。作为比较，多层石墨烯1nm ² 区域上的STM图如图3-8（b）所示。图3-8中STM图的特征可用石墨烯堆叠来解释。

3.1.5 原子力显微镜

原子力显微镜（AFM），也称扫描力显微镜（scanning force microscope,SFM），是一种纳米尺度的高分辨扫描探针显微镜，具有原子级的分辨率。AFM的前身是STM，两者的最大差别在于AFM并非利用量子隧穿效应，而是利用原子之间的机械接触力、原子键合、范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。AFM用于检测由于样品表面形貌与探针原子之间存在极小的作用力而引起探针以及与探针相连的悬臂的偏离，这种偏离可以对具有纳米横向尺寸和高度的表面形貌进行成像。

当石墨烯粉体通过分散液沉积到平坦的SiO ₂ /Si表面上时，就可以用AFM来确定石墨烯薄片的尺寸。AFM对样品制备的要求类似于TEM，即单个石墨烯薄片尽可能彼此隔开并且在基底上有较高的覆盖率。AFM测量应在一定的环境条件下进行，并以动态的AFM模式操作，所得图像信息应包含石墨烯样品的厚度与横向尺寸。根据单层石墨烯的厚度（0.34nm），从而可以计算出石墨烯样品的层数。图3-9为单层石墨烯的AFM图。

使用AFM表征石墨烯粉体样品的主要步骤如下。① 将沉积有石墨烯的基片安装到AFM中，使其牢牢固定。② 选择轻敲模式（间歇接触模式）探针，并在系统中将振荡频率调整为偏离悬臂共振频率的5％。其中探针的主要参数包括弹簧常数约为40N/m、谐振频率约为240kHz、针尖尺寸为5～15nm。③ 设置尽可能小的振幅以让探针接近样品表面，并将设定点设置为振幅的80％。④ 将扫描方向设置为垂直于悬臂长度的方向，扫描大面积以识别多个石墨烯薄片，典型的参数包括扫描尺寸（20μm）、扫描线速率（≤10μm/s）、分辨率（256像素×256像素）和设定点（自由振幅的40％～70％）。⑤ 在完成大范围扫描之后，应当使用较小的扫描尺寸以获得感兴趣区域的形貌图像，所选择的扫描尺寸应该可以包含单个石墨烯薄片。典型的扫描尺寸为2μm，分辨率为512像素×512像素，这样可以在数据分析期间提高精度。

图3-10所示的AFM图显示了金纳米颗粒在石墨烯薄片上的分散情况。AFM分析其进一步证实了将直径为20nm的金纳米颗粒固定在石墨烯薄片上的可能性。石墨烯具有独特的结构和多种优异的性能，被认为是新型纳米复合材料的纳米级构件，即作为金属纳米颗粒分散的支撑材料。

通过观察蛋白质分子在SiO ₂ /Si基底上石墨烯表面的吸附情况，可以研究载体对石墨烯薄片性能的影响，如图3-11所示。在水环境中，高密度簇团聚的亲和素分子在石墨烯薄片上形成局部区域性的疏水表面，而密度非常低的大型卵白素集群则形成石墨烯薄片边缘区域支持的亲水表面。这些结果表明，载体表面的亲水性会影响石墨烯薄片表面在水环境中的亲水性。而载体的表面改性是控制石墨烯薄片表面蛋白质分子吸附现象的一种有效方法，可用于实现高灵敏度的石墨烯生物传感器。

另外，石墨烯的电子性质敏感地依赖于其变形。基于此，研究人员设想了应变工程石墨烯电子器件。不同拓扑结构的大分子的可用性，例如可编程的DNA模式，使得这种设想在新型石墨烯器件设计中很有发展前景。另外，单个大分子的包封为扫描探针显微技术提供了新的前景。图3-12（a）为石墨烯在被质粒DNA分子覆盖的云母表面的AFM图。单层石墨烯的高度被指定为零，图3-12（b）中水平虚线的高度分别为0nm、0.34nm和0.68nm，分别对应1～3层石墨烯。

（a）石墨烯在被质粒DNA分子覆盖的云母表面的AFM图；（b）沿图（a）底部虚线的横截面分析图 vXUq4W5bAIde0Kcab5P+qku1ehjD4lhgy1LRUTShUYagTi9TvVOzQYxhphBeArdS