Réduction à basse température de l'oxyde de graphène :conductance électrique et microscopie à force de sonde Kelvin à balayage

Contexte

Le graphène et les matériaux à base de graphène ont des propriétés physiques et optiques très intéressantes [1, 2, 3] qui peuvent être utilisées dans de nombreuses applications telles que la nanoélectronique [4], les capteurs chimiques et biologiques [5, 6], les cellules solaires [7 ], des catalyseurs efficaces [8] et des supercondensateurs [9, 10]. Une nécessité de production de masse peu coûteuse de ces matériaux a orienté l'intérêt d'une grande armée de chercheurs dans l'étude de la réduction de l'oxyde de graphène (GO) [11] qui permet d'obtenir un matériau de graphène avec les propriétés nécessaires en utilisant des produits chimiques [12] ou un rayonnement [13] méthodes. L'une des techniques de réduction les plus simples est la technique thermique qui est généralement réalisée sous vide pour désorber les molécules d'oxygène des liaisons carbone [11]. Cependant, certains articles démontrent la réduction de GO dans des conditions ambiantes à des températures relativement basses, ce qui entraîne une diminution considérable de la résistance du matériau [14, 15], et qui, bien sûr, est très attrayant pour différentes applications. Jusqu'à présent, la relation entre des changements importants de conductivité à basse température avec d'autres paramètres du film et leur stabilité pendant longtemps est controversée. Cet article analyse les changements de résistance électrique de GO au cours de la réduction thermique de l'air et l'associe aux résultats obtenus par microscopie à force atomique (AFM), microscopie à force de sonde Kelvin à balayage (SKPFM), spectroscopie micro-Raman (mRS) et avec le changement des liaisons chimiques de GO mesurées par spectroscopie FTIR et spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS).

Méthodes/Expérimental

Préparation de l'échantillon

Le GO a été synthétisé par la méthode de Hummers [16] et transformé en solution aqueuse. Une composition chimique principale du matériau GO synthétisé et recuit à 50 °C a été déterminée en utilisant XPS. Le rapport carbone/oxygène s'est avéré être de 2,31 dans le GO vierge, ce qui est en accord avec les valeurs rapportées pour des processus d'oxydation similaires [17, 18]. Le spectre C1s XPS de GO indique clairement un degré d'oxydation considérable avec quatre composants qui correspondent à des atomes de carbone dans différents groupes fonctionnels :52,6 % du C non oxygéné dans sp ³ /sp ² (284,7 eV), 26,6 % du C dans les liaisons C–O (286,7 eV), 11,5 % du carbone carbonyle (C=O, 287,6 eV) et 8,3 % du carbone carboxylate (O–C=O, 289,0 eV) [19].

La dispersion aqueuse a été coulée goutte à goutte à l'aide d'une micropipette sur des substrats en verre et en silicium à une température de substrat d'environ 50 °C. Les échantillons sur les substrats de silicium ont été utilisés pour les mesures de spectres IR. Pour effectuer des mesures microscopiques de force de sonde Kelvin à balayage et des mesures XPS, les structures Ni/Si ont été fabriquées là où un film de Ni a été déposé par la méthode de pulvérisation cathodique magnétron DC. La réduction thermique des échantillons a été réalisée dans la plage de température de 100 à 250 °C (15 min) dans l'atmosphère ambiante.

Méthodes de mesure

La désorption thermiquement activée dans le GO a été caractérisée par thermogravimétrie (TG) dans des conditions atmosphériques à l'aide d'un appareil derivatographe Q-1500D (Paulik et Erdey). Les liaisons chimiques dans le film GO déposé sur une plaquette de silicium ont été détectées par spectroscopie FTIR en utilisant le spectromètre Bruker Vertex 70 V et XPS en utilisant le système d'analyse UHV (SPECS Surface Nano Analysis Company) possédant une pression résiduelle inférieure à 5 × 10 ^{− 10} mbar et équipé d'un analyseur d'énergie PHOIBOS 150. Les spectres XPS des films rGO ont été excités par une source de rayons X Mg Kα (E = 1253,6 eV) et ont été enregistrés à une énergie de passage constante de 35 eV. Des électrons de faible énergie émis par un canon à inondation ont été utilisés pour surmonter les effets de charge.

Des mesures micro-Raman ont été réalisées à température ambiante en configuration rétrodiffusion à l'aide d'un spectromètre triple Raman, T-64000 (Horiba Jobin Yvon), équipé d'un détecteur CCD refroidi électriquement. La raie à 488 nm d'un laser à ions Ar-Kr a été utilisée pour l'excitation. Le rayonnement excitant a été concentré sur la surface de l'échantillon avec une lentille optique × 50 donnant une taille de spot laser d'environ 1 μm (diamètre). La puissance du laser sur la surface de l'échantillon a toujours été maintenue en dessous de 1 mW pour éviter les effets de chauffage du laser ou les dommages.

La résistivité a été mesurée avec la méthode des sondes à quatre points (4PP) [20]. La morphologie de surface et le potentiel de surface des flocons GO ont été mesurés de manière correspondante par AFM et SKPFM à l'aide d'un microscope à sonde à balayage NanoScope IIIa Dimension 3000. La technique SKPFM modulée en fréquence à deux voies a été utilisée. Tout d'abord, un profil de surface a été obtenu. Ensuite, la pointe a été soulevée jusqu'à 20 nm, et la différence de potentiel de contact pointe-surface électrostatique a été mesurée le long du profil de surface précédemment capturé. La hauteur de levage a été choisie suffisamment grande pour éviter l'interaction pointe-surface de van der Waals et suffisamment petite pour conserver la résolution et la sensibilité les plus élevées du KPFM modulé en fréquence. Les transformations des cartes KPFM ont également été estimées pour une hauteur de 40 nm (Fichier supplémentaire 1 :Figure S1) ainsi que pour les cas d'échantillon et de pointe mis à la terre (voir Fichier supplémentaire 1 :Figure S2). Dans le dernier cas, les pertes prévisibles de résolution et de sensibilité ont été observées sur différents flocons de graphène, et aucun changement principal n'a été détecté. Les mesures ont été réalisées à l'aide d'une sonde Si EFM 20 (NanoWorld) recouverte d'un film Pt/Ir. La méthode SKPFM permet la cartographie de surfaces inhomogènes en phase en mesurant et en annulant l'interaction pointe-surface électrostatique contrôlant le potentiel continu sur la pointe [21].

Afin d'étudier une réduction thermique d'un flocon GO défini, un support de chauffage d'échantillon spécial a été fabriqué sur lequel les échantillons pourraient être soumis à un chauffage thermique de 80 à 230 °C hors du système de mesure, et renvoyés après refroidissement à température ambiante. De plus, les flocons GO ont été déposés sur une surface de Ni qui a été mise à la terre pour éviter la charge électrostatique et afin de fournir des mesures plus précises de la différence de potentiel de contact (CPD) par rapport au Ni.

Résultats et discussion

Thermogravimétrie

Les mesures de perte de poids pendant le chauffage du GO avec une vitesse de 10 °C/min ont attesté que 50 % de tout le poids était perdu dans la plage de température inférieure à 300 °C (Fig. 1). Jusqu'à 500 °C, l'échantillon perd 10 % de poids supplémentaire et 37 % de poids est perdu dans la plage de 500 à 600 °C (Fig. 1). Il a été montré [22] que la perte de poids de l'ordre de 500 à 700 °C dans l'atmosphère d'air est principalement associée à la combustion du squelette carboné. La perte de poids en dessous de 200 à 250 °C est déterminée par la désorption moléculaire de l'eau jusqu'à 150 °C, puis par la désorption de l'oxygène à partir des groupes époxy ou alcoxy (C-O-C) situés dans la feuille de graphite [23, 24].

Perte de poids pendant le processus de réduction de GO dans la plage de température de 40 à 800 °C. La vitesse de chauffe est de 10 °C/min. Le rapport dG/dT est également affiché

Spectroscopie FTIR et XPS

Les spectres FTIR des films GO initiaux démontrent l'apparition de liaisons OH (Fig. 2). La bande d'absorption centrée à 3 300 cm ^− 1 correspond au mode d'étirement des liaisons OH du groupe C-OH ou des molécules d'eau [25] ; une bande à 1420 cm ^− 1 est probablement associé au mode d'étirement du groupe COOH [26]; une bande à 1110 cm ^− 1 -Groupes OH de l'alcool [27]. Après recuit à 180 °C pendant 15 min, toutes les liaisons OH observées n'ont pas été enregistrées (voir Fig. 2b).

Spectres FTIR en fonction de la température de recuit dans la plage de nombres d'ondes de 100 à 6000 cm ⁻¹ (un ) et de 100 à 2000 cm ⁻¹ (b )

Après recuit à 180 °C mode d'étirage à 1220 cm ^− 1 , correspondant aux groupes apoxy (C–O–C), et à 1050 cm ^− 1 , correspondant aux groupes alcoxy (C–O–C) [25] sont formés. De plus, une bande à 1730 cm ^− 1 , qui est associé au mode d'étirement des groupes carbonyle (C=O) aux bords des lamelles GO [25], augmente en amplitude. Il est à noter que l'augmentation d'un pic avec le maximum à 1570 cm ^− 1 correspondant à la vibration des groupes C=C (vibration squelettique du plan du graphène [26]) atteste la formation de régions de graphite non oxydées. Formation de bande inefficace avec un maximum à 450 cm ^− 1 peut être lié à la génération de nanoclusters de carbone amorphe [28] dans le film GO pendant le recuit.

Trois bandes d'absorption bien exprimées sont observées dans le spectre FTIR après recuit à 250 °C. Ce sont le mode d'étirement des groupes carbonyle (1730 cm ^− 1 ), le mode d'étirement des groupes époxy (1220 cm ^− 1 ), et la vibration des groupes C=C (1570 cm ^− 1 ). Le premier mode mentionné atteste la désorption à haute température des groupes carboxyle situés sur les bords des paillettes GO, et l'amplitude accrue du dernier mode mentionné indique l'augmentation des dimensions des zones de graphène non oxydé. De plus, le spectre IR après recuit à 250 °C démontre une forte adsorption dans la plage de 2000 à 6000 cm ^− 1 (Fig. 2a) qui est associée à l'absorption d'électrons libres [29] et est en accord avec l'augmentation considérable de la conductivité électrique des films GO après le recuit.

Une composition chimique du GO pendant la restauration peut être estimée quantitativement en utilisant la méthode XPS. L'ajustement de la courbe des spectres XPS a été effectué à l'aide d'une forme de pic gaussien-lorentzien après une correction de fond de Shirley (Fig. 3a–d). Un seul pic a été utilisé pour ajuster les atomes de carbone graphitiques (C=C) et aliphatiques (C-C) en raison de la proximité de leurs énergies de liaison [30].

Spectres XPS C 1 s (hν = 1253,6 eV) collecté sur film mince GO déposé sur Ni(100 nm)/Si et recuit sous air pendant 15 min aux températures de 50, 120, 180 et 250 °C (a –d ). Les différents composants liés aux divers déplacements chimiques des liaisons carbones sont indiqués. La relation entre les aires des pics C1s et O1s XPS (e ) et les pourcentages atomiques des différentes liaisons carbonées identifiées par XPS en fonction de la température de recuit (f )

Le niveau d'oxydation (rapport de la concentration de carbone à l'oxygène 1) a été estimé à partir d'un rapport d'aires pour les pics C1s et O1s (voir le fichier supplémentaire 1 :Figure S3). Les rapports C/O ont été calculés en fonction de la température de recuit, et il a été montré qu'à 50, 120, 180 et 250 °C, les relations étaient de 2,31, 2,00, 2,07 et 3,26 (voir Fig. 3e). Ainsi, aucune désorption d'oxygène du film GO n'est observée dans la plage de recuit thermique de 50 à 180 °C. Probablement, la désorption de l'eau moléculaire dans l'atmosphère se produit avec le piégeage de l'oxygène sur les liaisons de carbone pendantes de l'air.

Il convient de noter que pendant le recuit thermique jusqu'à 180 °C, la transformation des liaisons carbonyles (C=O, 287,6 eV) en liaisons C–O (286,7 eV) a lieu tandis qu'une concentration du carbone carboxylate (O–C=O, 289,0 eV) reste presque constant (voir Fig. 3f). Les dernières liaisons sont généralement formées dans les bords des éclats GO [12]. Une augmentation supplémentaire de la température de recuit entraîne une augmentation de la concentration en carbone non oxygéné qui, à une température de recuit de 250 °C, atteint 76% de la concentration en carbone total (C/O = 3.26) dans le GO réduit. Après recuit thermique à 250 °C, de faibles concentrations de carbone carboxylate, de carbone carbonyle et de liaisons C–O sont observées, ce qui correspond totalement aux résultats obtenus par spectroscopie FTIR (voir Fig. 2).

Spectroscopie de diffusion Micro-Raman

Les spectres micro-Raman ont été enregistrés pour caractériser la microstructure GO. Tous les spectres sont dominés par les pics D et G centrés à ~ 1350 et ~ 1590 cm ^− 1 et bande 2D très faible centrée à ~ 2700 cm ^− 1 (Fig. 4a). Une caractéristique importante des spectres Raman est la présence d'un large épaulement entre les pics G et D. Il a été montré [31, 32] que le spectre Raman de GO peut être décrit par cinq bandes :G, D et D' (épaule haute fréquence de la bande G) et deux bandes appelées D* (~ 1150–1200 cm ^− 1 ) et D" (~ 1500–1550 cm ^− 1 ). En utilisant l'approche proposée dans [32], les spectres, présentés dans la Fig. 4a, ont été ajustés par cinq lignes. Un échantillon de l'ajustement est présenté dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S4. Les spectres Raman normalisés montrent que les raies D* et D" augmentent en intensité avec la température de recuit et après recuit à une température supérieure à 180 °C, certaines caractéristiques nettes avec un maximum à ~ 1140 cm ^− 1 apparaît (Fig. 4a).

Spectres Raman normalisés et décalés en y pour des échantillons rGO de différentes températures de recuit (a ). Dépendance de I _D /(Je _G + Je _D ) rapport sur la température de recuit (b )

La nature des bandes D* et D” est controversée. Il a été montré par Ferrari et Robertson [33] que ces deux bandes sont la somme et la différence des modes d'étirement C=C et d'agitation CH du trans-polyacétylène (chaîne alternée de sp ² carbones avec un seul hydrogène lié au carbone) dans le diamant nanocristallin et non dû à sp ³ carbones, c'est-à-dire qu'une apparition de ces bandes est directement liée à l'hydrogène. Cependant, dans notre cas, comme cela a été montré par notre analyse FTIR (voir section précédente), un hydrogène dans différentes liaisons est désorbé du GO à des températures inférieures à 180 °C. En outre, il a été signalé tôt dans la réf. [34] que la ligne D* est en fait associée à sp ³ phase riche de carbones amorphes désordonnés, et dans l'article [31], il a été suggéré que ces bandes sont dues à la taille finie des cristallites et à l'augmentation conséquente des défauts. La formation microcristalline avec génération de défauts est un mécanisme plus approprié pour notre cas. Fait intéressant, cette caractéristique similaire à ~ 1140 cm ^− 1 a été observée dans des films minces de carbone assemblés en grappes à 1180 cm ^− 1 [35] et était associée à une phase diamant microcristalline ou « amorphe ». De plus, le pic pointu à ~ 1140 cm ^− 1 , qui apparaît en plus d'une bande D* plus large et est clairement observé pour les échantillons recuits à 180 et 200 °C, peut être attribué à une sp ³ spécifique -des défauts de type, qui sont introduits dans le processus de désorption à des températures élevées. Une caractéristique nette similaire a été observée pour le graphène fonctionnalisé de manière covalente et a été attribuée aux chaînes trans-polyacétylène causées par l'introduction de sp ³ sites de défaut [36]. Cependant, toutes ces suggestions nécessitent une confirmation expérimentale supplémentaire.

Comme cela a été montré dans [32], le modèle Cuesta [37] corrélant la taille des nanocristallites (L _un ) avec Je _D /(Je _D + Je _G ) est plus approprié pour caractériser le trouble dans GO. L'analyse des intensités de pic intégrées (Fig. 4b) a montré que le I _D /(Je _D + Je _G ) reste presque invariable à une température de recuit jusqu'à 160 °C et augmente considérablement à des températures plus élevées, reflétant ainsi l'augmentation du désordre de GO.

Résistance électrique des films GO

L'étude de la résistivité des films GO par la méthode 4PP montre que le chauffage thermique des échantillons dans la plage de température de 100 à 200 °C (pendant 15 min) entraîne une diminution de la résistance de feuille de 10 ¹³ à 10 ⁶ Ω/m² (Fig. 5). En tenant compte de l'épaisseur du film GO d'environ 40 nm (voir les résultats de l'AFM dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S3 s (a)), la résistivité est égale à environ 4 × 10 ^− 2 Ω m ce qui est assez faible mais bien supérieur à la valeur pour le graphite (1 × 10 ^− 5 Ω m) [38].

Résistivité de la feuille mesurée par la méthode 4PP en fonction de la température de recuit dans l'air ambiant. Encart :graphique d'Arrhenius. Carrés noirs :mesures initiales, carrés vides :mesures après 6 mois

L'influence du recuit sur la résistivité de GO dans cette plage de température étroite peut être décrite par deux processus avec des énergies d'activation de E _A1 = 6.22 eV et E _A2 = 1,65 eV (voir encadré Fig. 5). Comme l'ont montré les mesures XPS, aucune réduction considérable du GO n'est observée lors du recuit thermique dans l'air dans une plage de 50 à 150 °C. Par conséquent, il peut être suggéré que la première énergie d'activation est probablement liée à un processus complexe de désorption de l'eau intercouche et des groupes OH du film GO (voir Fig. 2b) qui entraîne une forte diminution de la distance entre les couches GO [39] améliorant connexions électriques entre les flocons de différentes couches et diminuant considérablement la résistivité du film GO.

Le deuxième processus lié à la diminution de la résistivité du film GO est probablement principalement déterminé par le processus de désorption des atomes d'oxygène époxy et alcoxy avec le carbone [40] et par la formation d'agrégats de graphène non oxydé [41]. L'énergie d'activation obtenue est exactement la même que celle obtenue à partir des mesures de résistivité lors de la réduction thermique du papier [14] et est très similaire aux valeurs extraites par la méthode calorimétrique à balayage différentiel (DSC) :1,47 eV dans [21] et 1,73 eV dans [40 ]. La différence peut être liée aux conditions expérimentales.

Pour estimer la stabilité de la résistivité obtenue du GO réduit (rGO) dans l'atmosphère d'air, les mesures ont été répétées pour les mêmes échantillons après 6 mois. La résistivité n'augmente pas plus de deux fois pour la plage de température de recuit de 180 à 200 °C (carrés vides sur la Fig. 5) qui atteste une bonne stabilité de la structure rGO obtenue par recuit à basse température à l'air ambiant.

AFM et SKPFM

Les cartes topographiques de surface AFM des films GO et rGO obtenues par la méthode de coulée en gouttes sont présentées à la Fig. 6. Les films sont des structures multi-flocons denses d'une épaisseur d'au moins 30 nm (Fig. 6c). Pour une meilleure estimation de l'épaisseur moyenne de notre film, l'épaisseur a été contrôlée sur une goutte à l'aide des profils de hauteur de pas AFM des rayures et a été égale à 30-40 nm pour ~ 70 % d'une zone de la goutte (Fichier supplémentaire 1 :Figure S5 ( une)). Après un recuit thermique à 230 °C pendant 15 min, l'épaisseur de la goutte diminue d'environ 30 % (voir Fichier supplémentaire 1 :Figure S5 (b), (c)). De plus, dans certains cas, après un recuit à 180 °C, des nano- et microbulles se forment à la surface des films (Fig. 6b). Probablement, ces microbulles sont associées à des molécules d'eau désorbées des couches internes du film GO ainsi qu'à des contaminations incontrôlées dans une solution liquide de GO.

Images AFM de structures multi-flocons de GO coulées en gouttes :fragment de flocons clairs de GO recuit à 110 °C pendant 15 min (a ) et fragment de paillettes GO contaminées recuit à 180 °C pendant 15 min (b ). Les profils de hauteur de surface correspondants le long des lignes pointillées sont indiqués dans (c )

Les flocons de GO séparés déposés sur un film de Ni à partir de la même solution de GO ont été étudiés par les méthodes AFM et SKPFM pour mieux comprendre la nature de la transformation du matériau GO lors du recuit à basse température. Les flocons GO initiaux ont une épaisseur allant de 8 à 14 nm. L'étude du même éclat GO après réduction thermique par la méthode AFM permet de mesurer un changement d'épaisseur et de topographie de la structure (Fig. 7). L'épaisseur moyenne de la lamelle GO est fortement réduite de 12,5 à 7,2 nm pour un recuit à 180 °C pendant 15 min qui atteste de la désorption des molécules d'eau et des groupes contenant de l'oxygène du matériau. Il est à noter que le flocon étudié est constitué de plusieurs couches de GO (environ 7 à 8) qui sont considérablement plus fines que le film obtenu par la méthode du drop-cast.

Images AFM d'un seul éclat GO sur le film Ni :initiale (a ) et recuit à 180 °C pendant 15 min (b ). Les profils de hauteur de surface correspondants le long des lignes pointillées sont indiqués dans (c ) et les histogrammes de hauteur sur les images sont affichés en (d ). Les positions des pics selon l'analyse d'ajustement des pics sont marquées par des flèches

Les cartes des différences de potentiel de contact de surface (par rapport au film de Ni) en fonction de la température de recuit sont présentées sur la figure 8. Plusieurs éléments importants doivent être mentionnés. Premièrement, la différence de potentiel de contact de surface (CPD) augmente fortement à l'intérieur de la lamelle GO et atteint la valeur maximale d'environ 160 mV à un recuit de 140 °C. Un recuit supplémentaire à une température plus élevée entraîne la récupération du CPD. Deuxièmement, il existe un halo stable de CPD autour du flocon qui ne change pas de valeur avec l'augmentation de la température de recuit. Le halo a trois zones—au moins deux zones (#1 et #2) situées hors du flocon et une (#3)—au bord du flocon (voir les chiffres sur la Fig. 9). Il est possible de suggérer que la zone externe #1 est associée à certains contaminants accumulés près du bord du flocon pendant le séchage du solvant aqueux au dépôt, zone #2—avec extraction d'électrons de Ni dans le flocon GO réduit, tandis que la zone marginale #3— avec une adsorption stable des groupes carbonyle dont la désorption nécessite une température considérablement supérieure à 220 °C [23] ce qui est totalement confirmé par nos recherches FTIR et XPS.

Cartes SKPFM de la différence de potentiel de contact entre la pointe PtIr et la lamelle GO sur substrat Ni :initiale (a ) et après un recuit de 15 min à 80, 100, 120, 140 et 180 °C (b –f ), en conséquence. Substrat Ni utilisé comme référence dans les mesures SKPFM

Halo autour du flocon. Carte topographique chevauchée par la carte de contour SKPFM correspondante de la lamelle GO sur substrat Ni recuit à 140 °C pendant 15 min (a ). Des cartes agrandies du halo environnant sont affichées en (b , c ). Les nombres désignent les zones externes (#1), externes (#2), de bord (#3) et intrinsèques (#4)

L'analyse des raisons qui peuvent induire une si forte augmentation de la différence de potentiel à l'intérieur du flocon à des températures d'environ 120 à 140°C conduit à la conclusion que, probablement, cet effet est associé à la forte diminution du travail de sortie de la surface nanostructurée. Une telle surface se forme lors de la désorption des groupes époxy oxygène avec le carbone de surface suite à la réaction chimique [22] :

Désorption de CO, CO₂ , et H₂ Des molécules d'O dans la même plage de températures ont été mises en évidence par des expériences de désorption thermique sur papier [14]. La génération d'une grande quantité de ces nano-îlots de carbone entraîne une diminution du travail de sortie moyen de la surface des flocons qui perd le carbone de surface. Le recuit ultérieur conduit à la désorption du carbone de surface résiduel, diminuant l'épaisseur moyenne de la lamelle, aplatissant sa surface et augmentant le travail de sortie de la surface. Le facteur lettre entraîne une diminution de la moyenne du CPD de la surface des flocons rGO par rapport au potentiel Ni.

L'effet décrit ci-dessus peut être étayé par les résultats présentés sur la figure 10. La désorption du carbone des flocons de surface entraîne une stabilisation de l'épaisseur moyenne des flocons et une augmentation du CPD du rGO dans la zone centrale des flocons. La restauration ultérieure de la surface diminue l'épaisseur de l'écaille sur l'épaisseur d'une couche GO (environ 1 nm) et diminue le CPD. Sur la Fig. 9 dans la zone centrale de l'éclat (zone #4), on peut observer des protubérances du matériau sur la carte topologique AFM (Fig. 9c) et l'augmentation de CPD à ces endroits sur la carte CPD (régions noires sur la Fig. 9b).

Coupes transversales des cartes SKPFM (a ) illustré à la Fig. 6. Les numéros 1 à 7 désignent des sections transversales sur des échantillons initiaux et recuits de manière correspondante à 80, 100, 120, 140, 180 et 200 °C. Les valeurs statistiquement pertinentes (à partir des histogrammes) de l'épaisseur des flocons et de la différence de potentiel de contact entre le film Ni de référence et les flocons GO sont indiquées dans (b )

La comparaison des mesures de résistivité électrique avec celles de l'AFM et du SKPFM montre que dans les deux cas, deux types de processus sont observés :le premier est principalement associé à la désorption moléculaire de l'eau intercouche, et le second processus - à la désorption des groupes époxy oxygène avec le carbone. atomes. Ces processus de résistivité et les mesures AFM et SKPFM se manifestent à différentes températures de recuit. Le premier processus apparaît dans la mesure de résistivité jusqu'à 150 °C, tandis que pour les mesures AFM et SKPFM, le processus a lieu jusqu'à 100–110 °C. Tout d'abord, une telle différence de température est liée à différents emplacements du processus étudié. Les mesures électriques sont intégrales et déterminées par l'épaisseur totale d'un film GO épais (environ 40 nm), tandis que les mesures AFM et SKPFM sont les mesures de surface. De plus, dans le papier [42], il a été montré que le processus de désorption de l'eau des couches internes de GO est sensiblement difficile et apparaîtra à une température plus élevée dans un film plus épais.

Conclusions

Les recherches effectuées sur la réduction thermique du GO dans l'air ambiant ont montré que le recuit à basse température jusqu'à 250 °C permet de fortement diminuer la résistivité du film GO (environ sept ordres). Dans la gamme étudiée des températures de recuit, deux processus principaux ont lieu. Le premier processus est la désorption de l'eau moléculaire et des groupes OH liés avec une forte réduction de l'épaisseur du film, le deuxième processus est contrôlé par la désorption de l'oxygène époxy et alcoxy avec destruction du plan basal du carbone qui réduit considérablement la fonction de travail GO. La température améliorée (180-200 °C) nettoie la surface des nanoinclusions de carbone en récupérant la fonction de travail rGO et en amincissant le film. La résistivité du film GO réduit est stable et ne change pas fortement pendant 6 mois.