研究背景
石墨烯作为一种具有独特摩擦特性的二维晶体，不仅因其在固体润滑领域的潜在应用而受到关注，而且其摩擦特性也有助于理解许多摩擦过程。石墨烯和其他二维材料上观察到具有180°周期性的各向异性筹，但这些筹的物理起源和导致各向异性的机制尚不清楚。一些研究认为这些域是由基底引起的二维材料的周期性波纹造成的，而另一些研究则认为这些域是由自组装的环境吸附物形成的周期性条纹造成的。
研究创新点
作者使用了TR-AFM与TSM结合的表征手段，对石墨烯面内弹性模量进行了测量，探究了各项异性筹的形成机理。
研究内容
TR-AFM全称为扭转共振原子力显微镜。其原理如图1所示，将AFM工作于接触模式，通过激发针尖的扭转振动，来探测样品面内振动的共振频率。作者利用其这一特点来研究石墨烯面内的弹性模量。
图1 TR-AFM、TSM与LFM工作原理示意图
作者首先使用TR-AFM对多个石墨烯样品进行了测试，并在其中均观察到了具有不同面内弹性模量的筹。总结发现，这些各项异性筹往往出现在边界与褶皱等形貌附近，或是穿过边界。
图2 单层与多层石墨烯的TR-AFM测试结果
此外，当作者转动样品，改变样品与针尖之间的相对角度时，石墨烯的面内弹性模量的成像结果对比度发生了明显的变化，说明了这些筹具有明显的各向异性。通过定量计算发现这些各向异性基本都具有180°的周期性。并且在图像中可以看到，TR-AFM对这些筹有更高的灵敏度，说明这种各向异性不仅源于摩擦力，还与剪切模量有关。
图3 TR-AFM、TSM的转角实验结果
作者还对样品进行了CR-AFM成像来对面外的弹性模量进行了测量，并且在样品中未发现筹域，说明了各向异性来源于剪切模量。
图4 CR-AFM、TR-AFM、TSM、LFM实验结果对比
作者后续对样品的剪切模量各向异性进行了定量的研究，使用了TR-AFM测量个多个筹内的剪切共振频率以及Q值。确定了材料内主剪切轴的角度，并实现了通过写入来改变筹状态的能力。最后，作者使用了自组装的吸附物条带来修饰石墨烯，并进行了TR-AFM测试，发现石墨烯上各向异性筹的剪切刚度特性与其表面吸附物条带方向之间有强烈的相关性。说明了石墨烯上各向异性筹的起源是自组装的环境吸附物，并且这些吸附物条带的方向决定了筹的剪切各向异性。
图5 条带状修饰后的TR-AFM图像
结论
在这项研究中，作者TR-AFM技术揭示了石墨烯片上普遍存在的具有180°周期性的各向异性域，这些域的起源被确认为石墨烯表面上自组装的环境吸附物，而非先前认为的摩擦各向异性。通过定量分析，研究证明了这些域表现出的剪切各向异性与吸附物分子在石墨烯表面形成的有序结构直接相关，其中分子更密集堆积的方向成为域的剪切刚度的主轴。展示了TR-AFM作为研究材料平面内弹性各向异性的有力工具的潜力，这对于未来在润滑技术和纳米尺度材料设计领域的应用具有重要意义。
Shear Anisotropy Domains on Graphene Revealed by In-Plane Elastic Imaging
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04368
第一作者：Chengfu Ma；
通讯作者：Yuhang Chen；
通讯作者单位：Department of Precision Machinery and Precision Instrumentation, University of Science and Technology of China；
本文来自科研小喵，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
