近日，化工与化学学院甘阳教授团队提出了利用扫描电子显微镜和角分辨X射线光电子能谱进行界面表征的新方法，打破了扫描电镜不能用于界面表征的常规认识，提出了石墨烯/基底的界面氧化层厚度和覆盖度的改进计算模型，弥补了现有的二维纳米材料界面表征技术的不足。相关论文以《基于扫描电子显微镜电子束诱导的还原效应实现对石墨烯/Cu异质性界面氧化层的纳米级表征》（Nanoscale characterization of the heterogeneous interfacial oxidation layer of graphene/Cu based on a SEM electron beam induced reduction effect）和《基于角分辨X射线光电子能谱揭示石墨烯在铜基底氧化中的作用》（Role of Graphene in Oxidation of Underlying Cu Substrates Elucidated through Angle-Resolved X ray Photoelectron Spectroscopy）为题，分别发表在《物理化学化学物理》（Physical Chemistry Chemical Physics）和《ACS应用纳米材料》（ACS Applied Nano Materials）上。
现有用于二维纳米材料与基底的界面表征技术包括XPS、Raman、TEM、HRTEM及SEM等。其中，XPS 和Raman等谱学方法的空间分辨率较低为数十微米到数微米，而且现有XPS界面层分析模型只能在已知厚度（或覆盖度）条件下计算覆盖度（或厚度）。成像方法中，TEM和HRTEM可以在纳米级甚至是原子级尺度对界面氧化层的结构、厚度和分布进行表征，然而对于不均匀分布的界面氧化层需要进行多点成像获得统计分析结构；另外，对于宏观尺寸的样品，TEM和HRTEM表征前均需要对样品进行特殊的离子束切割进行制样。以上原因导致TEM和HRTEM用于界面表征时成本高昂且耗时。SEM是一种较普遍使用的材料表征方法，能够提供纳米级的位置精度和分辨率，实现对感兴趣区域的纳米级定位表征，广泛用于材料的微观形貌观测和微区化学成分的半定量测定等。不过，研究者尚没有认识到SEM具有进行纳米级界面表征的潜力。
本研究创新性地提出一种基于SEM 角分辨XPS实现纳米级界面表征的新方法。利用SEM 电子束对金属氧化物的还原效应，系统研究了 SEM 图像衬度随界面氧化物的厚度和覆盖度变化的规律，实现了对石墨烯/Cu界面氧化层（适用厚度范围：1~5 nm）的近100 nm空间分辨率快速表征，并基于此方法将纳米级的哈工大HIT字样刻印在了样品上。另外，建立了基于角分辨XPS方法同时测定界面氧化层的厚度和覆盖度的改进模型，利用长期氧化的石墨烯/Cu样品的表征结果验证了模型的有效性，并揭示了限域空间内界面氧化层的演变行为。本工作提出的这些新方法将有力推动对界面氧化行为以及二维材料和基底间的空间限域化学反应的研究。
该研究工作得到了黑龙江省头雁团队项目等的资助，特此感谢。哈工大为两篇论文的唯一单位，哈工大博士研究生冯盼盼为第一作者，通讯作者为哈工大化工与化学学院甘阳教授和张丹高级工程师。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D2CP05809J,
https://doi.org/10.1021/acsanm.2c05576
基于扫描电镜电子束诱导的还原效应和图像衬度反转实现界面氧化层状态表征的原理
基于扫描电镜的新方法用于石墨烯/Cu非均匀界面氧化状态和微区分析的快速和高空间分辨表征结果
基于角分辨XPS的新模型用于石墨烯/Cu界面氧化状态的测试原理、氧化层演变模型、表征结果及HRTEM验证结果
