准二维无定形碳结构的制备和结构表征

引用本文: 冉珂, 陈清, 左建民. 准二维无定形碳结构的制备和结构表征[J]. 物理化学学报, 2012, 28(07): 1551-1555. doi: 10.3866/PKU.WHXB201205093 shu

Citation: RAN Ke, CHEN Qing, ZUO Jian-Min. Fabrication and Structure Characterization of Quasi-2-Dimensional Amorphous Carbon Structures[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2012, 28(07): 1551-1555. doi: 10.3866/PKU.WHXB201205093 shu

准二维无定形碳结构的制备和结构表征

基金项目:
国家自然科学基金(60925003) (60925003)

科技部重大研究计划(2012CB932702) (2012CB932702)

美国能源部(DEFG02-01ER45923)资助项目 (DEFG02-01ER45923)

摘要:

从单层和少层的石墨烯出发, 利用透射电子显微镜中的高能电子束辐照, 可控地制备了准二维完全无定形和半无定形碳结构. 用高分辨成像和相干的纳米区域电子衍射技术表征了样品结构在高能电子束辐照前后的变化. 基于实验记录的电子衍射花样得到了样品的原子对分布函数. 分析表明, 在所制备的准二维无定形结构中, 六元环不再是碳原子的主要排列方式, 碳原子的各阶最近邻间距相对于完美石墨烯中的值有所偏离并趋向无序; 同时还发现, 锯齿型的碳链结构不易被破坏, 并使得准二维无定形碳结构中还保留了短程有序和可达0.5 nm的中程有序.

关键词:

English

Fabrication and Structure Characterization of Quasi-2-Dimensional Amorphous Carbon Structures

1.
1. Key Laboratory for Physics and Chemistry of Nanodevices, Department of Electronics, School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871;
2. Department of Material Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Illinois 61801, USA
Received Date: 17 April 2012
Available Online: 07 June 2012
Fund Project:
国家自然科学基金(60925003)

科技部重大研究计划(2012CB932702)

美国能源部(DEFG02-01ER45923)资助项目

Abstract:

Quasi-2-dimensional total amorphous and half-amorphous carbon structures are fabricated from single-layer or few-layer of graphene via high-energy electron beam irradiation. Sample structures before and after electron beam irradiation are recorded by high resolution imaging and coherent nano-area electron diffraction using transmission electron microscopy (TEM). The atomic pair distribution functions of the sample are obtained from electron diffraction patterns. In the quasi-2-dimensional amorphous carbon material, the carbon hexa nal ring structure is not the main structural feature anymore, and the low order nearest distances between carbon atoms are slightly different from that in perfect graphene. Although the sample shows a long-range disordered atomic arrangement, it still holds short-range order and even middle-range order extending to 0.5 nm, as many zigzag carbon chains remain after electron beam irradiation.

Key words:

Graphene
/ Quasi-2 dimensional amorphous structure
/ Electron beam irradiation
/ High resolution imaging
/ Electron diffraction
/ Atomic pair distribution function

1. [1]
  
  (1) Zachariasen,W. H. J. Am. Chem. Soc. 1932, 54, 3841. doi: 10.1021/ja01349a006
  (1) Zachariasen,W. H. J. Am. Chem. Soc. 1932, 54, 3841. doi: 10.1021/ja01349a006
2. [2]
  (2) Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.;Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Gri rieva, I. V.; Firsov, A. A.Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896(2) Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.;Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Gri rieva, I. V.; Firsov, A. A.Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896
3. [3]
  (3) Mermin, N. D. Phys. Rev. 1968, 176, 250. doi: 10.1103/PhysRev.176.250(3) Mermin, N. D. Phys. Rev. 1968, 176, 250. doi: 10.1103/PhysRev.176.250
4. [4]
  (4) Li, X. S.; Cai,W.W.; An, J. H.; Kim, S. Y.; Nah, J. H.; Yang, D.X.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; Banerjee, S.K.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Science 2009, 324, 1312. doi: 10.1126/science.1171245(4) Li, X. S.; Cai,W.W.; An, J. H.; Kim, S. Y.; Nah, J. H.; Yang, D.X.; Piner, R.; Velamakanni, A.; Jung, I.; Tutuc, E.; Banerjee, S.K.; Colombo, L.; Ruoff, R. S. Science 2009, 324, 1312. doi: 10.1126/science.1171245
5. [5]
  (5) Hernandez, Y.; Nicolosi, V.; Lotya, M.; Blighe, F. M.; Sun, Z.Y.; De, S.; Mc vern, I. T.; Holland, B.; Byrne, M.; Gunko, Y.K.; Boland, J. J.; Niraj, P.; Duesberg, G.; Krishnamurthy, S.; odhue, R.; Hutchison, J.; Scardaci, V.; Ferrari, A. C.;Coleman, J. N. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 563.(5) Hernandez, Y.; Nicolosi, V.; Lotya, M.; Blighe, F. M.; Sun, Z.Y.; De, S.; Mc vern, I. T.; Holland, B.; Byrne, M.; Gunko, Y.K.; Boland, J. J.; Niraj, P.; Duesberg, G.; Krishnamurthy, S.; odhue, R.; Hutchison, J.; Scardaci, V.; Ferrari, A. C.;Coleman, J. N. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 563.
6. [6]
  (6) Banhart, F.; Kotakoski, J.; Krasheninnikov, A. V. ACS Nano2011, 5, 26. doi: 10.1021/nn102598m(6) Banhart, F.; Kotakoski, J.; Krasheninnikov, A. V. ACS Nano2011, 5, 26. doi: 10.1021/nn102598m
7. [7]
  (7) Hashimoto, A.; Suenaga, K.; Gloter, A.; Urita, K.; Iijima, S.Nature 2004, 430, 870. doi: 10.1038/nature02817(7) Hashimoto, A.; Suenaga, K.; Gloter, A.; Urita, K.; Iijima, S.Nature 2004, 430, 870. doi: 10.1038/nature02817
8. [8]
  (8) Girit, C. O.; Meyer, J. C.; Erni, R.; Rossell, M. D.; Kisielowski,C.; Yang, L.; Park, C. H.; Crommie, M. F.; Cohen, M. L.; Louie,S. G.; Zettl, A. Science 2009, 323, 1705. doi: 10.1126/science.1166999(8) Girit, C. O.; Meyer, J. C.; Erni, R.; Rossell, M. D.; Kisielowski,C.; Yang, L.; Park, C. H.; Crommie, M. F.; Cohen, M. L.; Louie,S. G.; Zettl, A. Science 2009, 323, 1705. doi: 10.1126/science.1166999
9. [9]
  (9) Huang, P. Y.; Ruiz-Vargas, C. S.; van der Zande, A. M.;Whitney,W. S.; Levendorf, M. P.; Kevek, J.W.; Garg, S.; Alden,J. S.; Hustedt, C. J.; Zhu, Y.; Park, J.; McEuen, P. L.; Muller, D.A. Nature 2011, 469, 389. doi: 10.1038/nature09718(9) Huang, P. Y.; Ruiz-Vargas, C. S.; van der Zande, A. M.;Whitney,W. S.; Levendorf, M. P.; Kevek, J.W.; Garg, S.; Alden,J. S.; Hustedt, C. J.; Zhu, Y.; Park, J.; McEuen, P. L.; Muller, D.A. Nature 2011, 469, 389. doi: 10.1038/nature09718
10. [10]
  (10) Lahiri, J.; Lin, Y.; Bozkurt, P.; Oleynik, I. I.; Batzill, M. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 326. doi: 10.1038/nnano.2010.53(10) Lahiri, J.; Lin, Y.; Bozkurt, P.; Oleynik, I. I.; Batzill, M. Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 326. doi: 10.1038/nnano.2010.53
11. [11]
  (11) Ying, H.;Wang, Z. Y.; Guo, Z. D.; Shi, Z. J.; Yang, S. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 1482. [应红, 王志永, 郭政铎,施祖进, 杨上峰. 物理化学学报, 2011, 27, 1482.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110630(11) Ying, H.;Wang, Z. Y.; Guo, Z. D.; Shi, Z. J.; Yang, S. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 1482. [应红, 王志永, 郭政铎,施祖进, 杨上峰. 物理化学学报, 2011, 27, 1482.] doi: 10.3866/PKU.WHXB20110630
12. [12]
  (12) mez-Navarro, C.; Meyer, J. C.; Sundaram, R. S.; Chuvilin,A.; Kurasch, S.; Burghard, M.; Kern, K.; Kaiser, U. Nano Lett.2010, 10, 1144. 10.1021/nl9031617(12) mez-Navarro, C.; Meyer, J. C.; Sundaram, R. S.; Chuvilin,A.; Kurasch, S.; Burghard, M.; Kern, K.; Kaiser, U. Nano Lett.2010, 10, 1144. 10.1021/nl9031617
13. [13]
  (13) Chuvilin, A.; Kaiser, U.; Bichoutskaia, E.; Besley, N. A.;Khlobystov, A. N. Nat. Chem. 2010, 2, 450. doi: 10.1038/nchem.644(13) Chuvilin, A.; Kaiser, U.; Bichoutskaia, E.; Besley, N. A.;Khlobystov, A. N. Nat. Chem. 2010, 2, 450. doi: 10.1038/nchem.644
14. [14]
  (14) Ran, K.; Zuo, J. M.; Chen, Q.; Shi, Z. J. ACS Nano 2011, 4,3367.(14) Ran, K.; Zuo, J. M.; Chen, Q.; Shi, Z. J. ACS Nano 2011, 4,3367.
15. [15]
  (15) Kotakoski, J.; Krasheninnikov, A. V.; Kaiser, U.; Meyer, J. C.Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 105505. doi: 10.1103/PhysRevLett.106.105505(15) Kotakoski, J.; Krasheninnikov, A. V.; Kaiser, U.; Meyer, J. C.Phys. Rev. Lett. 2011, 106, 105505. doi: 10.1103/PhysRevLett.106.105505
16. [16]
  (16) Warner, J. H.; Rummeli, M. H.; Ge, L.; Gemming, T.;Montanari, B.; Harrison, N. M.; Buchner, B.; Briggs, G. A. D.Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 500. doi: 10.1038/nnano.2009.194(16) Warner, J. H.; Rummeli, M. H.; Ge, L.; Gemming, T.;Montanari, B.; Harrison, N. M.; Buchner, B.; Briggs, G. A. D.Nat. Nanotechnol. 2009, 4, 500. doi: 10.1038/nnano.2009.194
17. [17]
  (17) Novoselov, K. S.; Jiang, D.; Schedin, F.; Booth, T. J.;Khotkevich, V. V.; Morozov, S. V.; Geim, A. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005, 102, 10451. doi: 10.1073/pnas.0502848102(17) Novoselov, K. S.; Jiang, D.; Schedin, F.; Booth, T. J.;Khotkevich, V. V.; Morozov, S. V.; Geim, A. K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2005, 102, 10451. doi: 10.1073/pnas.0502848102
18. [18]
  (18) Meyer, J. C.; Kisielowski, C.; Erni, R.; Rossell, M. D.;Crommie, M. F.; Zettl, A. Nano Lett. 2008, 8, 3582. doi: 10.1021/nl801386m(18) Meyer, J. C.; Kisielowski, C.; Erni, R.; Rossell, M. D.;Crommie, M. F.; Zettl, A. Nano Lett. 2008, 8, 3582. doi: 10.1021/nl801386m
19. [19]
  (19) Egerton, R. F.; Li, P.; Malac, M. Micron 2004, 35, 399. doi: 10.1016/j.micron.2004.02.003(19) Egerton, R. F.; Li, P.; Malac, M. Micron 2004, 35, 399. doi: 10.1016/j.micron.2004.02.003
20. [20]
  (20) Krasheninnikov, A. V.; Banhart, F. Nat. Mater. 2007, 6, 723. doi: 10.1038/nmat1996(20) Krasheninnikov, A. V.; Banhart, F. Nat. Mater. 2007, 6, 723. doi: 10.1038/nmat1996
21. [21]
  (21) Zuo, J. M.; Gao, M.; Tao, J.; Li, B. Q.; Twesten, R.; Petrov, I.Microsc. Res. Techniq. 2004, 64, 347. doi: 10.1002/jemt.20096(21) Zuo, J. M.; Gao, M.; Tao, J.; Li, B. Q.; Twesten, R.; Petrov, I.Microsc. Res. Techniq. 2004, 64, 347. doi: 10.1002/jemt.20096
22. [22]
  (22) Wen, J. G.; Mabon, J.; Lei, C. H.; Burdin, S.; Sammann, E.;Petrov, I.; Shah, A. B.; Chobpattana, V.; Zhang, J.; Ran, K.;Zuo, J. M.; Mishina, S.; Aoki, T. Microsc. Microanal. 2010, 16,183. doi: 10.1017/S1431927610000085(22) Wen, J. G.; Mabon, J.; Lei, C. H.; Burdin, S.; Sammann, E.;Petrov, I.; Shah, A. B.; Chobpattana, V.; Zhang, J.; Ran, K.;Zuo, J. M.; Mishina, S.; Aoki, T. Microsc. Microanal. 2010, 16,183. doi: 10.1017/S1431927610000085
23. [23]
  (23) Cockayne, D. J. H. Annu. Rev. Mater. Sci. 2007, 37, 159. doi: 10.1146/annurev.matsci.35.082803.103337(23) Cockayne, D. J. H. Annu. Rev. Mater. Sci. 2007, 37, 159. doi: 10.1146/annurev.matsci.35.082803.103337
24. [24]
  (24) Egami, T.; Billinge, J. L. Underneath the Bragg Peaks: Structural Analysis of Complex Materials; Pergamon:Amsterdam, 2003; pp 55-99.(24) Egami, T.; Billinge, J. L. Underneath the Bragg Peaks: Structural Analysis of Complex Materials; Pergamon:Amsterdam, 2003; pp 55-99.
25. [25]
  (25) Petkov, V.; Jeong, I. K.; Chung, J. S.; Thorpe, M. F.; Kycia, S.;Billinge, S. J. L. Phys. Rev. Lett. 1999, 83, 4089. doi: 10.1103/PhysRevLett.83.4089(25) Petkov, V.; Jeong, I. K.; Chung, J. S.; Thorpe, M. F.; Kycia, S.;Billinge, S. J. L. Phys. Rev. Lett. 1999, 83, 4089. doi: 10.1103/PhysRevLett.83.4089
26. [26]
  (26) Petkov, V.; Difrancesco, R. G.; Billinge, S. J. L.; Acharya, M.;Foley, H. C. Philos. Mag. B 1999, 79, 1519.(26) Petkov, V.; Difrancesco, R. G.; Billinge, S. J. L.; Acharya, M.;Foley, H. C. Philos. Mag. B 1999, 79, 1519.
27. [27]
  (27) Billinge, S. J. L.; DiFrancesco, R. G.; Kwei, G. H.; Neumeier, J.J.; Thompson, J. D. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 715. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.715(27) Billinge, S. J. L.; DiFrancesco, R. G.; Kwei, G. H.; Neumeier, J.J.; Thompson, J. D. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 715. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.715
28. [28]
  (28) Jeong, I. K.; Proffen, T.; Mohiuddin-Jacobs, F.; Billinge, S. J. L.J. Phys. Chem. A 1999, 103, 921. doi: 10.1021/jp9836978(28) Jeong, I. K.; Proffen, T.; Mohiuddin-Jacobs, F.; Billinge, S. J. L.J. Phys. Chem. A 1999, 103, 921. doi: 10.1021/jp9836978
29. [29]
  (29) Ruan, C. Y.; Murooka, Y.; Raman, R. K.; Murdick, R. A.;Worhatch, R. J.; Pell, A. Microsc. Microanal. 2009, 15, 323.doi: 10.1017/S1431927609090709(29) Ruan, C. Y.; Murooka, Y.; Raman, R. K.; Murdick, R. A.;Worhatch, R. J.; Pell, A. Microsc. Microanal. 2009, 15, 323.doi: 10.1017/S1431927609090709
30. [30]
  (30) Chen, H.; Zuo, J. M. Acta Materialia 2007, 5, 1617.(30) Chen, H.; Zuo, J. M. Acta Materialia 2007, 5, 1617.
31. [31]
  (31) McKenzie, D. R.; Green, D. C.; Swift, P. D. Thin Solid Films1990, 193, 418. doi: 10.1016/S0040-6090(05)80052-5(31) McKenzie, D. R.; Green, D. C.; Swift, P. D. Thin Solid Films1990, 193, 418. doi: 10.1016/S0040-6090(05)80052-5
32. [32]
  (32) Li, L.; Reich, S.; Robertson, J. Phys. Rev. B 2005, 72, 184109.doi: 10.1103/PhysRevB.72.184109
  (32) Li, L.; Reich, S.; Robertson, J. Phys. Rev. B 2005, 72, 184109.doi: 10.1103/PhysRevB.72.184109

扫一扫看文章

计量

PDF下载量: 989
文章访问数: 2671
HTML全文浏览量: 82

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

准二维无定形碳结构的制备和结构表征

English

Fabrication and Structure Characterization of Quasi-2-Dimensional Amorphous Carbon Structures

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

准二维无定形碳结构的制备和结构表征

English

Fabrication and Structure Characterization of Quasi-2-Dimensional Amorphous Carbon Structures

CCS Chemistry：嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料，实现纳米级压力传感功能

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南： 你的皮肤可能是一片SPMs

CCS Chemistry：工作高效不疲劳，只须让催化剂动起来

CCS Chemistry：静电组装导向聚合- 聚电解质纳米凝胶量化制备新策略

CCS Chemistry：金黄色葡萄球菌醛基脱氢酶是如何识别特异性底物的？

计量

文章相关

通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

CCS Chemistry：颜徐州、鲍哲南：你的皮肤可能是一片SPMs