Зондирование 2Д материалов с помощью SECM

Почти десять лет назад, в 2010 году, за выделение графена была присуждена Нобелевская премия по физике. Публикации в области 2D-материалов выросли в геометрической прогрессии с момента первоначального выделения графена в 2004 году. Также предполагается, что к середине 2020-х годов рынок 2D-материалов достигнет 390 миллионов долларов. Чрезвычайный интерес к 2D-материалам возник из-за их исключительных свойств, особенно их электрических и механических свойств.

Таким образом, 2D-материалы, такие как графен, оксид графена и MoS2, исследуются на предмет их применения в областях, включая, но не ограничиваясь:

 

• Гибкая и носимая электроника;
• Батареи;
• Датчики;
• Пьезоэлектрика;
• Катализ.

2D-материалы были исследованы с использованием традиционных электрохимических методов, что позволило получить общее представление об исследуемом 2D-материале. Однако использование традиционных электрохимических методов скрывает сложности 2D-материалов. Эти материалы толщиной в один атом состоят из базовой плоскости, то есть плоскости, параллельной плоскости 2D материала, и плоскости края, то есть плоскости, перпендикулярной плоскости материала 2D. У них также может быть беспорядок поверхности, включая ступеньки, дефекты и щели. Все это приводит к различным электрохимическим характеристикам материала, которые могут быть использованы, например, в каталитических процессах. Следовательно, хотя объемные электрохимические измерения могут служить полезной отправной точкой для исследований электрохимической активности 2D-материалов, они не могут дать полной картины.

 

Графитовые чешуйки, измеренные методом отслеживания высоты SECM, в n 5 x 10^-3 моль L^-1 иодида калия и 0,1 моль L^-1 хлорида калия

 

Как мы можем получить точную картину 2D-материалов?

Сканирующая электрохимическая микроскопия предоставляет нам средства для проведения локализованных электрохимических измерений, которые могут быть коррелированы с характеристиками образца, включая связь улучшенной электрохимии с краевыми участками. Это разнообразный набор инструментов, однако особый интерес для 2D-материалов представляет сканирующая электрохимическая микроскопия (SECM). В большинстве экспериментов SECM взаимодействие электрохимически активного вещества в растворе, известного как окислительно-восстановительный медиатор, с исследуемым образцом контролируется смещенным ультрамикроэлектродным датчиком, который находится в непосредственной близости от поверхности образца. Сигнал, измеренный зондом, в конечном итоге определяется активностью образца в отношении окислительно-восстановительного медиатора, причем более сильный сигнал измеряется для более активных образцов. В SECM также можно наложить ток на образец. Благодаря принципу действия измерения SECM его можно использовать для исследования, анализа и даже изменения поверхности исследуемого образца. SECM может быть реализован как на приборах SECM150, так и на M470.

В то время как любой из шести других методов электрохимии сканирующего зонда, доступных от Bio-Logic, предоставит локальную информацию об интересующем 2D-материале, SECM обеспечивает ряд явных преимуществ.

• В отличие от традиционных методов, используемых для измерения проводимости 2D-материалов, а также других методов электрохимии сканирующего зонда, SECM не требует электрического контакта с образцом. Это особенно выгодно, поскольку упрощает интерпретацию данных о проводимости, поскольку больше не нужно учитывать контактное сопротивление между 2D-материалом и лежащей под ним подложкой. Кроме того, это позволяет избежать повреждений, вызванных контактом с 2D-материалами.
• SECM обычно используется для проведения исследований локальной кинетики в различных областях. В области 2D-материалов исследования такого рода могут быть расширены до исследования локальной проводимости. В отличие от традиционных экспериментов с проводимостью, которые исследуют среднюю проводимость и могут быть связаны с большими неопределенностями в результате неоднородности образца, SECM по своей природе учитывает неоднородности в 2D-материале. Таким образом, с помощью SECM можно исследовать влияние кромок, поверхностных дефектов, перекрывающихся чешуек и других неоднородностей на проводимость. Понимая, как эти поверхностные особенности влияют на проводимость, можно настроить 2D-материалы, чтобы они демонстрировали больше характеристик, которые нам нужны.
• Когда используется SECM, только датчик определяет разрешение измерения. Имея зонды размером всего 1 мкм и возможность подключения самодельных зондов, SECM обеспечивает превосходное разрешение по сравнению с другими методами электрохимии сканирующих зондов.
• SECM уникален тем, что его можно использовать для модификации образцов путем приложения локализованного смещения зондом. Это означает, что 2D-материал может быть изменен, и эффект модификации может быть исследован на одной экспериментальной установке.
• SECM присуща химическая селективность. Это может быть особенно полезно для исследования применения 2D-материалов в качестве катализаторов.

В связи с растущим интересом к применению 2D-материалов в широком диапазоне полей, необходимо полностью охарактеризовать эти материалы. SECM может предоставить уникальную перспективу 2D-материалов, чтобы помочь нам более эффективно реализовать их в будущем.