通过溶液法与表面化学相结合合成多孔纳米石墨烯的显微可视化

溶液化学与表面化学的结合为我们带来了新型碳基材料。现代成像技术，如扫描隧道显微镜或原子力显微镜，能够深入揭示新设计和合成化合物的结构、组成和性质，直至单个原子水平。首先将金单晶完全浸入装有丙酮的实验室烧杯中进行冲洗，并用帕拉菲姆膜（Parafilm）覆盖烧杯口。

随后，在超声波清洗器中清洗样品五分钟。将金单晶安装到样品台上，并对负荷锁进行放气。将样品转移至超高真空系统，加热至100摄氏度以上数小时。

在制备腔中使用电阻加热器将样品在 450 摄氏度下退火 15 分钟。使用 K 型热电偶控制温度。用荧光粉校准枪后，调整样品取向，并将枪与样品之间的距离调节至 50 毫米以内。退火过程中用氩离子溅射样品。

在打开气体阀门之前，切记关闭离子泵和升华泵。使用离子枪对样品进行溅射，离子枪相对于样品表面呈45度角，气体压力设定为5 × 10⁻⁷毫巴。完成清洗循环后，使用扫描隧道显微镜（STM）检查金111样品的质量。

将克努森池移回，并在对克努森池放气之前，关闭克努森池与制备腔室之间的阀门。将约一毫克的分子粉末装入专用的石英坩埚中，并将坩埚正确放置于克努森池内。将克努森池安装到制备腔室的阀门上后，使用外部真空泵对其进行抽气。

在将准备腔室抽真空之前，切勿打开准备腔室与克努森池之间的阀门，以避免污染准备腔室。将洁净的金样品从显微镜腔室转移至准备腔室，然后将样品直接对准克努森池，并调节样品与蒸发源之间的距离，使其保持在50至100毫米范围内。

将样品朝向远离克努森炉的方向放置，以避免分子材料发生不受控的沉积。开启克努森炉，并将温度设定为此前使用石英微天平校准过的、适用于分子蒸发的温度。通过旋转样品使其朝向克努森炉以沉积分子，并保持样品在此位置四分钟。

然后将样品旋转至背离克努森炉的方向，并关闭克努森炉以停止蒸发。在320摄氏度下对样品与分子进行15分钟退火，随后在370摄氏度下继续退火15分钟。每次退火步骤后，使用低温扫描隧道显微镜（LTSTM）结合原子力显微镜（AFM）对样品进行测量，以考察实验的当前阶段，并确认所生成物体的存在及其类型。

当锁定功能关闭时，使用STM针尖接近样品表面。首先，通过Z轴驱动器进行粗调接近。在接近过程中，使用摄像头观察STM针尖及其镜像。

使用显微镜软件将样品进一步接近至隧穿距离，然后将针尖从表面回撤两到三步。打开锁相放大器，并设置锁相参数，如频率、振幅和时间常数。

监测 IT 信号。通过调节锁相放大器的相位，将 IT 信号调至接近零。接近样品表面。

然后在洁净的金111表面通过观察Shockley表面态的位置和形状来校准dI/dV。进行dI/dV mapping时，将扫描速度设为较低值。在显微镜中冷却样品后，打开阀门1.5分钟，并将一氧化碳压力设定为5 × 10⁻⁸毫巴。

在扫描隧道显微镜（STM）下检查样品。当针尖为金属时，金表面上的一氧化碳分子会表现出特定的对比度。要拾取单个分子，需将针尖置于一氧化碳分子上方，并将针尖回撤至少 0.3 纳米。

将电压升至三伏，然后将针尖移回预设位置。I 值的突变表明一氧化碳拾取操作过程已完成。检查 CO 分子的扫描隧道显微镜（STM）对比度是否发生变化。

图像显示了在 0.5 伏特和 15 皮安条件下的典型形貌。完成 STM 扫描后，选择孤立的单个分子进行 NC-AFM 测量。找到一个与分子平面平行的合适 Z 平面。

将针尖从表面回撤约 0.7 纳米，并关闭 STM 反馈回路。此时显微镜已准备就绪，可开始进行非接触式原子力显微镜（NC-AFM）测量。环化脱氢反应的第一步是将分子前驱体在 320 摄氏度下退火，从而得到孤立的分子螺旋桨结构。

从扫描隧道显微镜（STM）图像中观察到的三个明显明亮的叶状结构可以推断出分子的非平面构象。最终的环化脱氢反应在样品加热至370摄氏度时完成，生成苯胺型孔洞，得到含有单个、两个或三个嵌入孔洞的单分子混合物。通过键分辨的非接触式原子力显微镜（NC-AFM）测量获得详细的结构表征，结果显示存在三角形多孔纳米石墨烯结构。

中心苯环更靠近金表面。纳米石墨烯的形貌表明，由于苯胺孔内氢原子之间的空间位阻相互作用，该结构采取了非平面构象。单点扫描隧道谱（STS）和空间分辨的STS成像以前所未有的精度揭示了纳米尺度物体在亚分子水平上的性质。

在负1.06伏记录到的共振信号可归因于最高占据分子轨道，而在1.61伏获得的共振信号则主要由最低未占据分子轨道主导。表面合成方法为构建低维且解剖学上精确的体系（如纳米级分子、石墨烯苯胺键以及新型碳同素异形体）开辟了道路，同时也推动了碳基磁性材料或新型功能器件的发展。