本研究利用一种基于原子力显微镜的面内弹性成像方法——扭转共振原子力显微术（TR-AFM），揭示出石墨烯等二维晶体材料表面广泛存在的各向异性畴结构为面内弹性（剪切）各向异性，而非前期研究所认为的“摩擦各向异性”。同时，本研究表明，此类剪切各向异性畴结构并非石墨烯本身结构，而是源于环境中的吸附分子在其表面按不同取向自组装的结果。
图1：利用扭转共振原子力显微术揭示石墨烯表面剪切各向异性畴结构
研究背景：
近年来，随着表界面表征方法的发展以及对二维材料物理性质研究的深入，大量研究发现石墨烯及其他二维晶体材料中广泛存在二重对称的各向异性畴结构。然而，关于此类畴结构的物理来源及其各向异性的物理机制尚不清楚。
一方面，此类畴结构的哪些特性导致了各向异性还没有很好的解释。由于此类畴结构最早是通过摩擦力显微镜（FFM）发现的，因此其通常被认为是“摩擦各向异性的”畴结构。然而，后续研究表明一种非常规的横向力显微镜成像模式——横向剪切显微镜（TSM）相较FFM对此类畴结构具有更好的灵敏度。尽管关于TSM的成像机制目前尚不清楚，实验研究表明其衬度来源并非表面摩擦。基于此，我们认为“摩擦各向异性”或许无法准确反映上述畴结构的各向异性本质。
另一方面，关于上述畴结构到底是什么仍存争议。部分研究认为此类畴结构是因受衬底非均匀应力，二维材料按不同方向形成周期性微波纹结构而导致的。然而，非均匀应力能否引入高度周期性的微波纹结构值得商榷。
本文研究：
针对上述问题，本文作者利用一种基于原子力显微镜的面内弹性成像方法——扭转共振原子力显微术（TR-AFM）研究了石墨烯的各向异性畴结构。其研究结果表明：
- 基于原子力显微镜的面内弹性成像（TR-AFM）能够清晰揭示石墨烯等二维材料各向异性畴结构。
- 此类畴结构体现出面内弹性（剪切）各向异性，而非传统所认为的“摩擦各向异性”。
- 此类畴结构由源于环境的污染物分子在石墨烯表面吸附、自组装形成，而非石墨烯本身结构。
本研究对二维材料各向异性畴结构提供了新的认识，有利于更全面理解二维材料力学、摩擦性质。同时，本研究显示TR-AFM在分子晶体等材料面内弹性成像表征中具有良好前景。
图2：单层石墨烯表面剪切各向异性畴结构
作者信息：
本文作者来自中国科学技术大学、中国科学院兰州化学物理研究所与波兰雅盖隆大学，通讯作者信息如下：
马成福 中国科学院兰州化学物理研究所，特聘青年研究员
于2011年、2017年自中国科学技术大学取得学士、博士学位，后在中国科学技术大学开展研究工作，曾在德国哥廷根大学、德累斯顿工业大学访学。其研究工作聚焦面向纳米力学与纳米摩擦学的扫描探针显微术，现（曾）主持国家自然科学基金面上项目、青年基金、合肥市自然科学基金等科研项目。
陈宇航 中国科学技术大学，副教授
于2000年、2005年自中国科学技术大学取得学士、博士学位，后在中国科学技术大学工作至今。其科研方向主要集中在扫描探针显微镜仪器校准方法、表面纳米计量、新型原子力显微镜成像表征技术的研发及应用。
文章信息：
Ma C, Li Y, Zhou C, Chen Y, Gnecco E, & Chu J. Shear Anisotropy Domains on Graphene Revealed by In-Plane Elastic Imaging. ACS Nano, 4c04368 (2024).
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04368
