Graphen Nanoplättchen mit unterschiedlichen Morphologien und deren Einfluss auf den gemessenen Funktionalisierungsgrad
Quelle: BAM
Graphen besitzt einzigartige elektrische, optische und thermische Eigenschaften aufgrund seiner Struktur aus einer Kohlenstoff-Monolage. Im Gegensatz zu auf einem Substrat abgeschiedenen Graphen, liegt pulverförmiges Graphen häufig nicht als eine einzelne ideale Schicht aus einer Monolage vor, sondern häufig als ein Stapel von mehreren Schichten. Wenn solches pulverförmiges Graphen chemisch verändert, d.h. funktionalisiert werden soll, ist es wichtig, zu wissen, welche Schichten aus dem Stapel funktionalisiert werden. Solche Funktionalisierungen sind sowohl für Anwendungen als auch für die Risiken auf Umwelt und Gesundheit entscheidend. Zum Beispiel kann man damit die Wasserlöslichkeit von Graphen beeinflusst werden.
Für die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung und damit der Funktionalisierung von solchen zweidimensionalen Strukturen ist die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) von zentraler Bedeutung. Dabei wird die Probe mit Röntgenstrahlung bestrahlt; hierdurch werden Elektronen aus der Probe abgegeben. Anhand der Anzahl und der Energie der Elektronen kann die chemische Zusammensetzung ermittelt werden, und dies im Bereich der obersten Schichten von wenigen Nanometern. Wird die Energie der eingestrahlten Röntgenstrahlung erhöht, kann man auch tieferen Schichten der Probe untersuchen. Die BAM ist eine der wenigen Stellen in Europa, wo ein solches Gerät installiert ist, das Messungen mit Röntgenstrahlung niedrigerer Energie (1.5 keV) und sogenannter harter Röntgenstrahlung mit höherer Energie (5.5 keV) an der gleichen Stelle ermöglicht. Damit kann eine zerstörungsfreies Tiefenprofil an komplexen Proben wie Graphen-Nanoplättchen mit unterschiedlichen Morphologien durchgeführt werden.
Bei einer kürzlich veröffentlichten Studie wurden mit Hilfe eines solchen Experimentes Nanoplättchen mit einer partikelförmigen Struktur von ca. 100 nm mit stapelartigen Strukturen von mehreren Mikrometern verglichen. Bei diesen stapelartigen Strukturen wurde höherer Funktionalisierungsgrad in der obersten Schicht des Stapels als in den inneren Schichten gefunden. Wie erwartet, ist dieser Effekt nicht so ausgeprägt bei den kleineren Partikeln. Mit diesem gewählten experimentellen Ansatz kann man die Funktionalisierung der Graphen-Nanoplättchen untersuchen und verstehen, was sowohl für die Anwendung als auch für die Risikoabschätzung und damit den sicheren Gebrauch von Graphen von entscheidender Bedeutung ist.
Influence of the Morphology on the Functionalization of Graphene Nanoplatelets Analyzed by Comparative Photoelectron Spectroscopy with Soft and Hard X-Rays
Giovanni Chemello, Xenia Knigge, Dmitri Ciornii, B.P. Reed, A.J. Pollard, C.A. Clifford, T. Howe, N. Vyas, Vasile-Dan Hodoroaba, Jörg Radnik
publiziert in Advanced Materials Interfaces, Aufsatznummer 2300116, Seiten 1 bis 8
BAM Materialchemie
BAM Oberflächenanalytik und Grenzflächenchemie