Visualización de grupos funcionales en óxido de grafeno con resolución atómica

M.S. MORENO; C.B. BOOTHROYD; M. DUCHAMP; A. KÓVACS; N. MONGE; G.M. MORALES; C.A. BARBERO; R.E. DUNIN-BORKOWSKI

Congreso; 98 Reunión de la Asoc. Física Argentina; 2013

El óxido de grafeno (GO) es una forma de grafeno con su superficie modificada por grupos funcionales tales como grupos ácidos carboxílicos, epóxidos, cetonas y alcoholes entre otros. La estructura y distribución de los grupos funcionales depende del método de síntesis usado y afectan sus propiedades químicas, eléctricas y mecánicas. Es de particular interés conocer la composición química y la distribución espacial de esos grupos funcionales. La identificación directa de dichos grupos mediante microscopía de transmisión de alta resolución no es posible hasta el presente, pero pueden visualizarse mediante la interacción de grupos específicos con átomos pesados tales como Ba y estudiar la distribucion de esos elementos más pesados.El GO se sintetizó mediante el método de Hummers y Offeman (J. Am. Chem. Soc. 80 (1958) 1339). Para eliminar restos de iones metálicos que pudiesen quedar del proceso de síntesis, el GO se trató con una solución acuosa de EDTA en medio básico y luego se lo purificó por diálisis. Con el fin de determinar la localización y tipo de grupos oxigenados sobre la superficie del GO se sintetizó un GO "dopado" con Ba2+. Mediante sub-angstrom TEM, STEM y EELS mapeamos la distribución espacial del O y los dopantes. Para ello utilizamos el microscopio FEI Titan3 G2 50-300 del ER-C (PICO). Este microscopio de la cuarta generación de FEG-TEM contiene un monocromador y correctores de aberraciones esférica (Cs) y cromática (Cc). Estudiamos la evolución in situ en función de la temperatura en el TEM hasta 800C.Las imágenes de alta resolución en campo claro del GO dopado con Ba, adquiridas a 80 kV, muestran la estructura del GO con un mínimo daño por irradiación con el haz de electrones pero no permiten identificar los átomos de Ba.Intentamos usar microscopía de transmisión filtrada en energía (EFTEM) para obtener imágenes con la distribución del Ba usando los bordes M4 y M5 a 781 eV, pero los prolongados tiempos de adquisición requeridos conllevan daño por irradiación que evita la localización de los átomos de Ba con precisión mejor que unos pocos nanómetros.El uso de microscopía de transmisión en modo barrido (STEM) a temperatura ambiente se mostró impracticable debido a la contaminación por migración de los grupos funcionales sobre la superficie del grafeno. No obstante hemos sido capaces de sobrellevar este problema de contaminación adquiriendo imágenes del GO a temperaturas iguales o superiores a 400 C, hasta 800 C, usando un portamuestra de calentar ultra estable que preserva la resolución del microscopio. La adquisición simultánea de imágenes de contraste por número atómico y espectros de electrones de pérdida de energía (EELS) en cada punto de la muestra a altas temperaturas nos permitió correlacionar la localización de los átomos de Ba con las características observadas en las imágenes de contraste por número atómico con resolución atómica.Los resultados que presentaremos mostrarán como hemos usado las imágenes de campo claro y las imágenes de contraste por número atómico para determinar la posición de los átomos de Ba en las imágenes de campo claro de alta resolución. Nuestros resultados son consistentes con una distribución no uniforme sobre la membrana de GO de los grupos que contienen O y Ba.