通过直接无聚合物粘附方法制备用于透射电子显微镜的超洁净石墨烯

《Nano Materials Science》：Ultra-clean graphene for transmission electron microscopy by direct polymer-free adhesion method

　　萨拉·穆斯塔菲 | 萨姆·沙利文-奥尔索普 | 谢普·加希 | 米利沃伊·普洛迪内茨 | 丁鹏 | 萨拉·J·海 | 科斯佳·S·诺沃谢洛夫 | 塔蒂亚娜·拉季切夫斯卡娅
保罗谢勒研究所，瑞士维利根，邮编5232

**摘要**
石墨烯是电子显微镜实验的理想样品支撑材料。其晶体性质和单原子厚度使得放置在其上的任何物体都易于识别和研究。然而，这些优势很容易因石墨烯表面受到污染而丧失，而污染通常发生在生长和转移过程中。在这项研究中，我们提出了一种新的无聚合物转移方法，通过直接粘附的方式获得无污染的石墨烯，用于透射电子显微镜实验。使用新的石墨烯转移协议获得的样品的高角环形暗场扫描透射电子显微镜图像和会聚束电子衍射图像显示，转移过程中没有产生任何污染，仅观察到由碳氢化合物引起的轻微污染。这些观察结果得到了含碳氢化合物的石墨烯模拟的支持。我们还将这种新的干转移方法与以往文献中提到的两种其他方法进行了比较。使用新的直接无聚合物粘附方法制备的样品质量优于使用其他两种方法制备的样品。

**1. 引言**
石墨烯已被证明是电子显微镜的理想样品支撑材料[1]：它仅一个原子层厚，对传统透射电子显微镜（TEM）中的电子是透明的，并且具有非常高的电导率和热导率；因此，不会导致样品充电问题。此外，其晶体性质意味着可以从衍射图像中轻松减去衍射峰，从而清晰地看到样品本身的衍射图案。
由于这些卓越特性的结合，石墨烯成为研究各种物体的理想选择：从金属原子、簇和纳米粒子[[2], [3], [4], [5]]到单个生物大分子[[6], [7], [8]]。此外，电子显微镜还可以可视化单层、扭曲双层和少层石墨烯系统的堆叠顺序和原子排列[[9], [10], [11]]。高分辨率电子显微镜实验要求石墨烯支撑材料均匀无缺陷或吸附物，以避免不必要的充电效应并简化数据解释。
高质量、低缺陷的石墨烯通常通过机械剥离[12,13]方法获得，最近也通过化学气相沉积（CVD）[14]方法获得。为了获得用于TEM研究的独立石墨烯，需要将石墨烯从生长基底转移到多孔支撑材料上，如TEM网格上的网状或孔状碳膜或多孔SiN膜。表1总结了用于TEM研究的石墨烯转移方法。

**表1. 用于TEM研究的石墨烯转移方法**
“碳”指的是TEM网格上的网状或孔状碳，“SiN”指的是氮化硅膜。
*使用Quantifoil孔状碳膜的方法[15]。

**间接转移方法**
间接转移方法通过在转移过程中使用中间层（最常见的是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）来保护石墨烯层。然而，转移后的石墨烯上总会残留一些PMMA（造成硬污染），去除这些残留物是一项具有挑战性的任务，尤其是在需要原子级清洁石墨烯的TEM研究中。已经开发了多种去除PMMA的方法[29]，其中最常用的是用溶剂（如丙酮等）进行湿法清洗，然后通过退火烧掉PMMA残留物[19,28]。

**直接转移方法（“无聚合物”转移方法）**
直接转移方法在生长基底、石墨烯和最终基底之间创建一个夹层，从而避免了石墨烯层上的聚合物残留污染。然而，这些方法在转移过程中不能保护石墨烯层。目前还没有一种石墨烯转移协议能够同时满足以下条件：（a）在典型的化学实验室中易于实现；（b）保护石墨烯层；（c）转移后不留下聚合物残留物。

在TEM实验中，石墨烯上仍可能发现污染：这包括来自PMMA层的硬污染以及由空气中的碳氢化合物吸附引起的软污染[30]。可以通过将样品加热到高温一段时间来去除软污染；然而，一旦清洗过程结束并且样品暴露在空气中，这种污染会再次出现。在参考文献[31]中还介绍了一种使用原位电子显微镜的奇特机械清洗方法，其中金属尖端被用作“纳米扫帚”。
在这项研究中，我们介绍了一种新的直接粘附石墨烯转移方法，该方法不使用PMMA，从而解决了硬污染问题。我们将使用这种新方法制备的样品与以往文献中提到的两种方法制备的样品的TEM成像结果进行了比较。

**2. 石墨烯转移方法**
在本节中，我们描述了本研究中比较的三种石墨烯转移方法。

**2.1. 方法1：PMMA辅助的湿转移方法**
在这种方法中，从Graphenea购买的Cu箔上的单层CVD石墨烯，以及从Inseto购买的100 nm/200 μm SiN/Si晶圆定制的SiN TEM网格。湿清洗步骤如下：
(i) 在Gr/Cu/Gr样品上旋涂3%的PMMA溶液（转速3000，涂布量1000），见图1a和b。
(ii) 将Gr/Cu/Gr/PMMA样品在130°C下烘烤10分钟。
(iii) 将涂有PMMA的箔片翻面，放入等离子清洗机中，在O2/Ar气氛下处理1分钟，以去除箔片背面的石墨烯，见图1c。
(iv) 将PMMA/Gr/Cu箔片切成小块（约3 × 3 mm2），放入过硫酸铵（APS）[(NH4)2S2O8]溶液中蚀刻掉Cu层，见图1d。
(v) 将PMMA/Gr样品在水中清洗，依次通过三个去离子水烧杯冲洗，见图1e。
(vi) 用SiN TEM网格将样品从水中取出，见图1e和f。
(vii) 将得到的PMMA/Gr/SiN样品在130°C下烘烤5分钟，见图1g。
(viii) 用热溶剂（55°C的丙酮、异丙醇（IPA）和甲苯）清洗PMMA/Gr/SiN膜以去除PMMA层，见图1h。
(ix) 待Gr/SiN干燥后，将其放入手套箱中，在高真空条件下350°C下烘烤8小时。

**2.2. 方法2：催化转移方法**
在方法2和3中，从One Graphene[32]购买的单晶CVD石墨烯被转移到多孔SiN膜上。

**2.2.1. SiN膜**
SiN膜从Silson[33]购买；厚度为100 nm、横向尺寸为0.5 mm的膜最适合操作，因为较薄或较大的膜在处理过程中容易破裂。对于方法2和3，SiN膜的制备过程如图2所示：
(i) 在膜上沉积15 nm厚的Pt层，见图2a和b。
(ii) 使用扫描电子显微镜（SEM）中的聚焦离子束在SiN膜上打孔，孔径通常为1 μm，用于悬挂石墨烯，见图2c。

**2.2.2. 石墨烯转移**
该方法基于参考文献[34]的改进方案：
(i) 在Gr/Cu/Gr样品上旋涂100 nm厚的950K PMMA A3层，见图3a和b。
(ii) 使用O2等离子体（射频功率：5 W，压力：50 sccm，时间：1分钟）去除PMMA/Gr/Cu/Gr样品上的石墨烯层，见图3c。
(iii) 将PMMA/Gr/Cu箔片切成小块（约3 × 3 mm2），放入过硫酸铵（APS）[(NH4)2S2O8]溶液中蚀刻掉Cu层，见图3d。
(iv) 将PMMA/Gr样品转移到超纯双蒸馏水中以洗掉蚀刻液，见图3e。样品在水中清洗60分钟，每20分钟更换一次水。
(v) 用SiN/Pt膜将样品从水中取出，见图3f。样品在室温下空气中晾干约15分钟。
(vi) 在300°C的空气中退火45分钟（更长时间的退火可以获得更干净的样品），使用热板烧掉PMMA，见图3g。
(vii) 样品准备好进行TEM成像，见图3h。

**2.3. 方法3：直接粘附转移方法**
(i) 使用O2等离子体（射频功率：5 W，压力：50 sccm，时间：1分钟）去除铜箔（Gr/Cu/Gr）一侧的石墨烯层，见图4a和b。
(ii) 将得到的Gr/Cu箔片切成小块（约3 × 3 mm2），覆盖整个SiN膜，见图4c。
(iii) 准备UHU Plus Schnellfest（双组分环氧树脂粘合剂）。用自闭合镊子固定SiN膜，用牙签在膜周围点上粘合剂，见图4d。
(iv) 将SiN/Pt膜放在Cu/Gr箔的石墨烯一侧，让粘合剂干燥，见图4e。
(v) 将Cu/Gr/Pt/SiN样品放入APS溶液中蚀刻掉Cu层，见图4f。
(vi) 用超纯双蒸馏水清洗样品60分钟，每20分钟更换一次水。然后将样品从水中取出，用吸水纸吸干多余的水分，室温下晾干约15分钟。
(vii) 将样品放在显微镜玻璃载玻片上，在300°C下烘烤30–45分钟，以完全干燥样品并去除碳氢化合物，见图4h。
(viii) 样品准备完成，见图4i。

**3. 结果与讨论**
图5显示了使用三种方法制备的样品的TEM结果。对于使用方法1和2制备的样品，在石墨烯上沉积了Au纳米粒子以进行背散射电子衍射（CBED）研究[4]。这些Au纳米粒子的直径为几纳米，浓度很低，因此在数十纳米的视场中只能观察到少数几个粒子[4]。因此，这些Au纳米粒子不会产生如图5a所示的强烈污染信号。图5a–c显示了使用三种方法制备的样品的高角环形暗场（HAADF）扫描透射电子显微镜图像。

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图5. 使用三种协议制备的石墨烯样品的透射电子显微镜图像，所有图像均在80 keV下获取：
(a)–(c) HAADF图像，CBED的束流位置用黄点标示，刻度尺为100 nm，总视场为1200 × 1200 nm2；
(d)–(f) 相应的CBED图案，刻度尺为2 nm?1。
(a)和(d)中的样品使用方法1制备，(b)和(e)中的样品使用方法2制备，(c)和(f)中的样品使用方法3制备。CBED图案的记录条件如下：(d) 离焦量 Δf = ?700 nm，会聚半角 α = 9.8 mrad，因此探测区域的直径约为 D = 2|Δf|tanα = 13.7 nm；(e) Δf = ?1 μm，α = 7.0 mrad，D = 14.0 nm；(f) Δf = ?2 μm，α = 3.4 mrad，D = 13.6 nm。在(d)–(f)中，为了便于展示，零级CBED斑点的强度被减弱了。图像(a)、(b)、(d)和(e)是在曼彻斯特大学的Thermo Fisher Talos F200X S/TEM中获得的；(d)和(e)使用Merlin直接电子探测器拍摄。图像(c)和(f)是在苏黎世联邦理工学院的JEOL JEM F200中获得的；(f)使用Gatan Rio CMOS相机拍摄。通过方法1（湿法清洗协议）制备的样品的HAADF图像显示石墨烯区域整体干净，没有硬污染（图5a），但存在一些来源不明的额外石墨烯层。通过方法2制备的样品的HAADF图像显示由于PMMA残留物而存在硬污染（图5b）。通过方法3（直接粘附）制备的样品的HAADF图像仅显示软污染，这是在标准环境条件下工作时不可避免的；没有来自转移过程的硬污染（图5c）。图5b和c中可见的“孔洞”是悬挂石墨烯的膜上的孔洞——这些孔洞是第2.1-2.3节中描述的样品制备过程的一部分。图(a)中的孔洞直径大于显示的视野范围（约为3 μm），因此在其视野范围内的HAADF图像中看不到孔洞的边缘。

通过对三种方法制备的样品进行会聚束电子衍射（CBED）图案的获取，进一步验证了样品的质量。作为衍射图案的一种形式，CBED可以直接区分单层石墨烯和多层石墨烯（少层材料），其分辨率为几纳米到几十纳米[35]，这使得它在高分辨率TEM样品表征中优于传统的拉曼光谱。2D晶体的CBED图案是衍射图案，每个峰由于会聚的探测电子束而变成一个有限大小的CBED圆盘[10,[36],[37],[38]。对于原子级纯净的样品，CBED圆盘显示均匀的强度（图6a–d）。CBED图案通常在离焦状态下获取，轻元素吸附物的存在表现为强度变化。任何偏离均匀石墨烯晶格的情况——如波纹、吸附物、缺陷或多层结构——都会导致CBED圆盘内的强度变化[10,[36],[37],[38]。因此，CBED图案对由任何污染引起的样品不规则性非常敏感。

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图6. 受污染石墨烯样品的模拟CBED图案。(a)–(d) 分别是(a)石墨烯、(b) CH4（甲烷分子)层、(b) C6H6（苯分子)层以及(d)同时含有CH4和C6H6层的石墨烯的投影势能分布；刻度尺，1 nm。(e)–(h) 在会聚半角7 mrad、离焦1 μm和电子能量80 keV条件下模拟的相应CBED图案；刻度尺，2 nm?1。在(e)–(h)中，强度以对数刻度显示，零级CBED斑点为了展示目的而被减弱了。

对于每个通过HAADF成像的区域，都记录了一个CBED图案，如图5d–f所示。对于图5d–f中显示的三个样品的CBED图案，对比度计算公式为 C = (Idisk - Ibg)/(Idisk + Ibg)，其中Idisk是同一阶CBED圆盘的平均强度，Ibg是CBED圆盘附近区域的强度（一个带有遮罩区域的CBED图案示例见补充数据）。结果表明，使用方法3制备的样品获得了更高的对比度值。对于一级CBED圆盘，对比度值较低，这可以通过中心直射束的强烈信号超出中心CBED圆盘并与一级圆盘重叠来解释。

表2. 三种方法制备的样品及其模拟结果的CBED图案对比度。
方法1 方法2 方法3
一级对比度 0.14 0.16 0.25
二级对比度 0.32 0.31 0.43
CBED圆盘内的强度变化可以归因于石墨烯中的硬污染或起伏。这些起伏会产生较暗和较亮的区域，即使在原子级纯净的石墨烯表面也能观察到。在CBED圆盘之间观察到的额外非晶散射信号只能由软污染产生，如下所述的模拟结果所示（图6）。

3.2. 模拟
为了观察软污染对CBED图案的影响，将软污染模拟为CH4（甲烷）和C6H6（苯）分子的随机分布——这两种碳氢化合物在空气中很常见（图6b）。选择的CH4分子数量与石墨烯层中的碳原子数量相同。C6H6分子的数量设定为使其中的碳原子数量与石墨烯层中的碳原子数量相同。对于传输函数的模拟，输入数据是一组原子坐标(xn,yn)。单层石墨烯的传输函数计算公式为：
(1)t(x,y)=exp[iσvz(x,y)?l(x,y)]，
其中vz(x,y)是单个原子的投影势能，l(x,y)是描述原子位置的函数，?表示卷积，σ是相互作用参数；σ=2πmeλ/h2，m是电子的相对质量，e是基本电荷，λ是电子的波长，h是普朗克常数。单个原子的投影势能计算公式如下（参考文献[39]）：
(2)vz(r)=4π2a0e∑i=13aiK0(2πrbi)+2π2a0e∑i=13cidiexp(?π2r2/di)，
其中r=x2+y2，a0是玻尔半径，K0(...)是修正的贝塞尔函数，ai,bi,ci,di是参考文献[39]中提供的参数。在vz(r)中，r=0处的奇点被替换为r = 0.1 ?时的vz(r)值。单层石墨烯的传输函数在40 × 40 nm2区域内进行了模拟，采样率为4096 × 4096像素。碳氢化合物层的传输函数通过公式(1)计算得出。样品的总传输函数是石墨烯层和碳氢化合物层传输函数的乘积tG(x,y)tHC(x,y)。

探测束的计算方法如参考文献[38]中所述。探测波分布ψ0(r→)是通过模拟球面波前在位于r→0平面的限制虚拟孔径（第二透镜孔径）上的衍射来建立的：
(3)ψ0(r→)=∫∫a(r→0)exp(?ikr0)r0exp(ik|r→0?r→|)|r→0?r→|dr→0，
其中a(r→0)是孔径的二进制函数。方程(3)中的积分变换直接计算，没有使用快速傅里叶变换，表示为
ψ0(p,q)=∑m,n=?N/2N/2?1a(m,n)exp(?ik(mΔa)2+(nΔa)2)(mΔa)2+(nΔa)2exp(ik(mΔa?pΔ)2+(nΔa?qΔ)2)(mΔa?pΔ)2+(nΔa?qΔ)2，
其中m, n, p, q分别是孔径(m, n)和平面(p, q)中的像素索引，Δa和Δ分别是孔径和平面中的像素大小。通过选择出口孔径的直径为640 nm，并将其放置在距离虚拟源平面45 μm的位置，实现了α = 7 mrad的会聚半角。

模拟的CBED图案如图6所示。CH4和C6H6层的CBED图案（图6b,c,d）由探测束形成的中心CBED圆盘和背景信号组成，背景信号类似于由于随机分布的分子散射而产生的粉末衍射图案（图6f–h）。在CH4的CBED图案中，强信号环的q值范围为q < 7.5 1/nm到q = 7.5 – 17.5 1/nm。在C6H6的CBED图案中，强信号环的q值范围为q = 3.6 – 6.2 1/nm、6.2 – 12.0 1/nm、12.0 – 19.0 1/nm和19.0 – 26.0 1/nm。CH4和C6H6层的全尺寸模拟CBED图案见补充数据。这些由软污染引起的强信号环叠加在石墨烯的CBED圆盘上，对于一级圆盘在q = 4.60 1/nm处，对于二级圆盘在q = 8.13 1/nm处（图6h）。在实验CBED图案（图5d–f）中也观察到了与一级和二级CBED圆盘对应的q值处的类似强背景信号。

在模拟的CBED图案中，一级和二级CBED圆盘的对比度几乎相同（见表2），因为强烈的直射束局限于中心CBED圆盘，其信号不会与一级CBED圆盘重叠。而在实验CBED图案中，由于非弹性散射，直射束的信号会超出中心CBED圆盘。模拟中的对比度高于实验中的对比度，这可以归因于(a)直射束的大小有限，以及(b)模拟中使用的软污染量。

4. 结论
总之，测试了三种不同的石墨烯转移方法用于电子显微镜实验。使用方法1（湿法清洗）和方法3（直接粘附转移）获得了最干净的独立石墨烯，这些样品的HAADF图像中没有显示出与转移过程中残留的PMMA相关的硬污染。然而，方法1的石墨烯覆盖孔洞的比例相对较低（约10%），可能是由于湿法清洗过程过于剧烈。对于方法2，几乎所有孔洞都被石墨烯覆盖（25个孔洞中有25个被覆盖），而对于方法3，大约三分之一的孔洞（75个孔洞中有25个）被石墨烯覆盖。只有使用方法2制备的样品观察到了硬污染。所有三种方法制备的样品中都观察到了软污染。基于直接粘附的新石墨烯转移方法（方法3）制备的样品的CBED图案对比度最高，表明其污染程度最低。

作者贡献声明：
Sara Mustafi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，方法学，研究。
Sam Sullivan-Allsop：可视化，方法学，研究，数据管理。
Shaip Gashi：方法学，研究。
Milivoj Plodinec：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究。
Ding Peng：研究。
Sarah J. Haigh：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究，资金获取，概念化。
Kostya S. Novoselov：撰写 – 审稿与编辑，方法学，研究，资金获取，概念化。
Tatiana Latychevskaia：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法学，研究，资金获取，数据管理，概念化。