Laagtemperatuur-annealing van grafeenoxide-films: Impact op elektrische geleidbaarheid en oppervlaktepotentieel via SKPFM

Samenvatting

Grafene-oxide (GO) films werden gevormd via druppelgietmethode en bestudeerd met FTIR-spectroscopie, micro-Raman-spectroscopie (mRS), röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS), vier-punt meetmethode, atoomkrachtmicroscopie (AFM) en scanning Kelvin probe force (SKPFM) microscopie na laagtemperatuur-annealing bij omgevingsomstandigheden. Er werd aangetoond dat in het temperatuurbereik van 50 tot 250 °C de elektrische resistiviteit van de GO-films met zeven ordes van grootte afneemt en wordt bepaald door twee processen met activeringsenergieën van respectievelijk 6,22 en 1,65 eV. Er werd aangetoond dat het eerste proces voornamelijk geassocieerd is met desorptie van water en OH-groepen, wat de filmdikte met 35% vermindert en de resistiviteit met vijf ordes van grootte doet dalen. De corresponderende activeringsenergie is de effectieve waarde bepaald door desorptie en elektrische verbinding van GO-flakes uit verschillende lagen. Het tweede proces is voornamelijk geassocieerd met desorptie van zuurstof-epoxy- en alkoxy-groepen verbonden met koolstof gelegen in het basale vlak van GO. AFM- en SKPFM-methoden toonden aan dat tijdens het tweede proces eerst het oppervlak van het GO-vlak wordt verstoord, wat een genanostructureerd oppervlak met lage werkafstand vormt, en daarna bij hogere temperatuur een vlak koolstofvlak wordt gevormd dat resulteert in een toename van de werkafstand van gereduceerd GO.

Achtergrond

Grafene en grafeen-gebaseerde materialen hebben zeer aantrekkelijke fysieke en optische eigenschappen die kunnen worden ingezet in veel toepassingen zoals nano-elektronica, chemische en biosensoren, zonnecellen, effectieve katalysatoren en supercondensators. De noodzaak van goedkope massa-productie van deze materialen heeft het belang van een groot leger van onderzoekers gericht op de studie van grafeenoxide (GO) reductie, wat het verkrijgen van een grafeenmateriaal met gewenste eigenschappen mogelijk maakt met chemische of stralingsmethoden. Een van de eenvoudigste reductietechnieken is de thermische, die meestal in vacuüm wordt uitgevoerd om zuurstofmoleculen van koolstof π-bindingen te desorberen. Er zijn echter enkele papers die GO-reductie bij omgevingsomstandigheden bij relatief lage temperaturen demonstreren, wat resulteert in een aanzienlijke vermindering van de materiaalweerstand, wat uiteraard zeer aantrekkelijk is voor verschillende toepassingen. Tot nu toe is de relatie tussen significante veranderingen in geleidbaarheid bij lage temperatuur met andere parameters van de film en hun stabiliteit gedurende lange tijd controversieel. Dit papier analyseert de veranderingen in elektrische weerstand van GO tijdens thermische reductie in lucht en associeert het met resultaten verkregen van atoomkrachtmicroscopie (AFM), scanning Kelvin probe force microscopie (SKPFM), micro-Raman-spectroscopie (mRS) en met het veranderen van GO's chemische bindingen gemeten door FTIR-spectroscopie en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS).

Methoden/Experimenteel

Monsterbereiding

De GO werd gesynthetiseerd via de methode van Hummers en omgezet in wateroplossing. Een hoofdchemische samenstelling van de gesynthetiseerde GO-materiaal en geanneald bij 50 °C werd bepaald met XPS. De koolstof/zuurstofverhouding werd 2,31 in pristine GO, wat overeenkomt met waarden gerapporteerd voor vergelijkbare oxidatieprocessen. Het C1s XPS-spectrum van GO duidt duidelijk op een aanzienlijke oxidatiegraad met vier componenten die overeenkomen met koolstofatomen in verschillende functionele groepen: 52,6% van de niet-gezuurde C in sp³/sp² toestand (284,7 eV), 26,6% van de C in C–O bindingen (286,7 eV), 11,5% van de carbonyld koolstof (C=O, 287,6 eV) en 8,3% van de carboxylaat koolstof (O–C=O, 289,0 eV).

De waterdispersie werd gedruppeld met een micropipet op zowel glas als siliciumsubstraten bij een substratemperatuur van ongeveer 50 °C. De monsters op siliciumsubstraten werden gebruikt voor IR-spectrametingen. Om scanning Kelvin probe force microscopische metingen en XPS uit te voeren, werden de Ni/Si-structuren gefabriceerd waar Ni-film werd gedeponeerd via DC-magnetronsputtermethode. Thermische reductie van de monsters werd uitgevoerd in het temperatuurbereik van 100 tot 250 °C (15 min) in omgevingsatmosfeer.

Meetmethoden

Thermisch geactiveerde desorptie in de GO werd gekarakteriseerd door thermogravimetrie (TG) bij atmosferische omstandigheden met gebruik van een derivatograaf Q-1500D apparaat (Paulik en Erdey). Chemische bindingen in de GO-film gedeponeerd op siliciumwafer werden gedetecteerd door FTIR-spectroscopie met behulp van Bruker Vertex 70 V spectrometer en XPS met behulp van het UHV-Analysis-System (SPECS Surface Nano Analysis Company) met een restdruk minder dan 5 × 10⁻¹⁰ mbar en uitgerust met een PHOIBOS 150 energie-analyzer. De XPS-spectra van de rGO-films werden geëxciteerd door een röntgen Mg Kα-bron (E = 1253,6 eV) en opgenomen bij constante doorlaatenergie van 35 eV. Laag-energie elektronen geëmiteerd door een vloedkanon werden gebruikt om oplaadeffecten te overwinnen.

Micro-Raman-metingen werden uitgevoerd bij kamertemperatuur in backscattering-configuratie met een drievoudige Raman-spectrometer, T-64000 (Horiba Jobin Yvon), uitgerust met een elektrisch gekoelde CCD-detector. De 488 nm lijn van een Ar–Kr ionenlaser werd gebruikt voor excitatie. Exciterende straling werd gefocust op het monsteroppervlak met een × 50 optische lens, wat een laserspotgrootte van ongeveer 1 µm (diameter) gaf. De laservermogen op het monsteroppervlak werd altijd onder 1 mW gehouden om laserverhittingseffecten of schade te vermijden.

Resistiviteit werd gemeten met de vier-punt meetmethode (4PP). Oppervlaktemorfologie en oppervlaktepotentieel van de GO-flakes werden gemeten door respectievelijk AFM en SKPFM met behulp van een NanoScope IIIa Dimension 3000 scanning probe microscoop. De twee-pad frequentiemodulatie SKPFM-techniek werd gebruikt. Eerst werd een oppervlakteprofiel verkregen. Vervolgens werd de punt opgetild tot 20 nm, en het electrostatische punt-oppervlakte contactpotentiaalverschil werd gemeten langs het eerder vastgelegde oppervlakteprofiel. De tillhoogte werd gekozen groot genoeg om de van der Waals punt-oppervlakte interactie te vermijden en klein genoeg om de hoogste resolutie en gevoeligheid van frequentiemodulatie KPFM te behouden. KPFM-kaarttransformaties werden ook geschat voor hoogte van 40 nm alsmede voor de gevallen van monster en punt geaard (zie Additioneel bestand 1: Figuur S2). In het laatste geval werden voorspelbare verliezen van resolutie en gevoeligheid waargenomen op verschillende grafeenflakes, en geen principiële veranderingen gedetecteerd. Metingen werden uitgevoerd met een EFM 20 (NanoWorld) Si-punt bedekt met Pt/Ir-film. De SKPFM-methode stelt de kartering van fase-inhomogene oppervlakken toe door het meten en neutraliseren van elektrostatische punt-oppervlakte interactie door beheer van dc-potentiaal op de punt.

Om de thermische reductie van een definitieve GO-flake te bestuderen, werd een speciaal monsterverhittingshouder gefabriceerd waarop de monsters konden worden onderwerp aan thermische verhitting van 80 tot 230 °C buiten het meetsysteem, en teruggekeerd na afkoeling tot kamertemperatuur. Bovendien werden de GO-flakes op Ni-oppervlak gedeponeerd wat geaard was om electrostatische lading te vermijden, en om nauwkeurigere metingen van contactpotentiaalverschil (CPD) ten opzichte van Ni te verstrekken.

Resultaten en Discussie

Thermogravimetrie

Metingen van gewichtsverlies tijdens verwarmen van de GO met een snelheid van 10 °C/min attesteerden dat 50% van alle gewichtsverlies plaatsvond in het temperatuurbereik onder 300 °C (Fig. 1). Tot 500 °C verliest het monster een additionele 10% van gewicht en 37% van gewicht wordt verloren in het bereik van 500 tot 600 °C (Fig. 1). Er werd getoond dat gewichtsverlies in het bereik van 500 tot 700 °C in luchatmosfeer voornamelijk geassocieerd is met verbranding van het koolstofskelet. Het gewichtsverlies onder 200-250 °C wordt bepaald door moleculaire waterdesorptie tot 150 °C en daarna door zuurstofdesorptie van epoxy- of alkoxy- (C–O–C) groepen gelegen in het grafietvel.

FTIR-spectroscopie en XPS

De FTIR-spectra van de initiële GO-films tonen de verschijning van OH-bindingen (Fig. 2). Het absorptieband gecentreerd op 3300 cm⁻¹ correspondeert met de rekmodus van OH-bindingen van C–OH-groep of watermoleculen; een band op 1420 cm⁻¹ is waarschijnlijk geassocieerd met de rekmodus van COOH-groep; een band op 1110 cm⁻¹—OH-groepen van alcohol. Na anneren bij 180 °C gedurende 15 min, werden alle waargenomen OH-bindingen niet geregistreerd (zie Fig. 2b).

Na anneren bij 180 °C worden rekmodus op 1220 cm⁻¹, corresponderend met epoxy (C–O–C) groepen, en op 1050 cm⁻¹, corresponderend met alkoxy (C–O–C) groepen gevormd. Bovendien neemt een band op 1730 cm⁻¹, geassocieerd met de rekmodus van carbonylgroepen (C=O) aan de randen van de GO-flakes, in amplitude toe. Het moet worden opgemerkt dat de toename van een piek met maximum op 1570 cm⁻¹, corresponderend met trilling van C=C-groepen (skelettrilling van het grafeenvlak), de vorming van niet-geoxideerde grafietgebieden attesteert. Vorming van inefficiënte band met maximum op 450 cm⁻¹ kan gelinkt worden aan generatie van amorfe koolstof-nanoclusters in de GO-film tijdens de annering.

Drie goed uitgedrukte absorptiebanden worden waargenomen in het FTIR-spectrum na anneren bij 250 °C. Dit zijn de rekmodus van carbonylgroepen (1730 cm⁻¹), de rekmodus van epoxy-groepen (1220 cm⁻¹), en de trilling van C=C-groepen (1570 cm⁻¹). De eerstgenoemde modus attesteert de hoge-temperatuur desorptie van carboxylgroepen gelegen aan de randen van de GO-flakes, en de toegenomen amplitude van de laatstgenoemde modus wijst op de toename in dimensies van niet-geoxideerde grafeengebieden. Bovendien demonstreert het IR-spectrum na anneren bij 250 °C sterke absorptie in het bereik van 2000 tot 6000 cm⁻¹ (Fig. 2a) wat geassocieerd is met absorptie van vrije elektronen en in overeenstemming is met de aanzienlijke toename in elektrische geleidbaarheid van de GO-films na de annering.

Een chemische samenstelling van de GO tijdens de herstelling kan kwantitatief worden geschat met behulp van de XPS-methode. Curve fitting van de XPS-spectra werd uitgevoerd met een Gaussiaans-Lorentziaans piekvorm na een Shirley-achtergrondcorrectie (Fig. 3a-d). Slechts één piek werd gebruikt om de grafietische (C=C) en alifatische (C–C) koolstofatomen te fitten vanwege de naaste nabijheid van hun bindingsenergieën.

Oxidatieniveau (verhouding van koolstofconcentratie tot zuurstof) werd geschat uit een verhouding van oppervlaktes voor C1s en O1s pieken. De C/O-verhoudingen werden berekend in afhankelijkheid van anneringstemperatuur, en er werd getoond dat bij 50, 120, 180 en 250 °C de verhoudingen respectievelijk 2,31, 2,00, 2,07 en 3,26 waren (zie Fig. 3e). Dus, er wordt geen zuurstofdesorptie van GO-film waargenomen in het bereik van de thermische annering van 50 tot 180 °C. Waarschijnlijk treedt desorptie van moleculair water in luchatmosfeer op samen met zuurstofvastlegging op koolstof-dangling-bindingen uit lucht.

Het moet worden opgemerkt dat tijdens de thermische annering tot 180 °C transformatie van carbonyld koolstofbindingen (C=O, 287,6 eV) in C–O bindingen (286,7 eV) plaatsvindt terwijl een concentratie van de carboxylato koolstof (O–C=O, 289,0 eV) bijna constant blijft (zie Fig. 3f). De laatste bindingen worden meestal gevormd aan de randen van GO-flakes. Verdere toename van anneringstemperatuur resulteert in toename van de niet-gezuurde koolstofconcentratie die bij anneringstemperatuur van 250 °C 76% bereikt van de totale koolstofconcentratie (C/O = 3,26) in het gereduceerde GO. Na thermische annering bij 250 °C worden kleine concentraties van carboxylato koolstof, carbonyld koolstof en C–O bindingen waargenomen wat volledig overeenkomt met de resultaten verkregen door FTIR-spectroscopie (zie Fig. 2).

Micro-Raman-verstrooiingsspectroscopie

De micro-Raman-spectra werden opgenomen om de GO-microstructuur te karakteriseren. Alle spectra worden gedomineerd door de D- en G-pieken gecentreerd op ~1350 en ~1590 cm⁻¹ en een zeer zwakke 2D-band gecentreerd op ~2700 cm⁻¹ (Fig. 4a). Een belangrijk kenmerk van de Raman-spectra is de aanwezigheid van de brede schouder tussen G- en D-pieken. Er werd getoond dat het Raman-spectrum van GO kan worden beschreven door vijf banden: G, D, en D' (hoge-frequentie schouder van de G-band) en twee banden aangeduid als D* (~1150-1200 cm⁻¹) en D'' (~1500-1550 cm⁻¹). Met de benadering voorgesteld in [32], werden de spectra, gepresenteerd in Fig. 4a, gefit door vijf lijnen. Monster van de fitting wordt gepresenteerd in Additioneel bestand 1: Figuur S4. De genormaliseerde Raman-spectra tonen aan dat D* en D'' lijnen in intensiteit toenemen met de anneringstemperatuur en na annering bij temperatuur boven 180 °C verschijnt een scherp kenmerk met maximum op ~1140 cm⁻¹ (Fig. 4a).

De aard van de D* en D'' banden is controversieel. Er werd getoond door Ferrari en Robertson dat deze twee banden de som en het verschil zijn van C=C-rekking en CH-waggelen modussen van trans-polyaceteen (afwisselende keten van sp² koolstoffen met een enkele waterstof gebonden aan koolstof) in nanokristallijn diamant en niet te wijten aan sp³ koolstoffen, dat is een verschijning van deze banden is direct verbonden met waterstof. Echter, in ons geval, zoals getoond door onze FTIR-analyse (zie vorige sectie), wordt waterstof in verschillende bindingen gedesorbeerd uit GO bij temperaturen onder 180 °C. Ook werd vroeger gerapporteerd dat de D* lijn eigenlijk geassocieerd is met sp³-rijke fase van gedisordeneerde amorfe koolstoffen, en in een paper werd voorgesteld dat deze banden te wijten zijn aan de eindige grootte van kristallieten en consequent toename in defecten. Microkristallijn vorming met defectgeneratie is een meer geschikt mechanisme voor ons geval. Interessant is dat een vergelijkbaar kenmerk op ~1140 cm⁻¹ werd waargenomen in cluster-geassembleerde koolstof dunne films op 1180 cm⁻¹ en geassocieerd met microkristallijne of "amorfe" diamantfase. Bovendien kan de scherpe piek op ~1140 cm⁻¹, die in toevoeging aan de meer verbrede D* band verschijnt en duidelijk waargenomen wordt voor de monsters geanneald bij 180 en 200 °C, vermeend worden toegeschreven aan specifieke sp³-type defecten, die geïntroduceerd worden in het desorptieproces bij verhoogde temperaturen. Een vergelijkbaar scherp kenmerk werd waargenomen voor covalente functionele grafeen en toegeschreven aan trans-polyaceteen ketens veroorzaakt door de introductie van sp³-defectplaatsen. Echter, al deze suggesties hebben additionele experimentele bevestiging nodig.

Zoals getoond in [32], correleert het Cuesta-model de nanokristallijngrootte (L_a) met I_D/(I_D + I_G) verhouding is meer geschikt om onorde in GO te karakteriseren. Analyse van geïntegreerde piekintensiteiten (Fig. 4b) toonde aan dat de I_D/(I_D + I_G) verhouding bijna onveranderd blijft bij anneringstemperatuur tot 160 °C en significant toeneemt bij hogere temperaturen, wat de toename in onorde van GO weerspiegelt.

Elektrische weerstand van de GO-films

De studie van resistiviteit van de GO-films door 4PP-methode toont aan dat thermische verwarmen van de monsters in het temperatuurbereik van 100 tot 200 °C (voor 15 min) resulteert in een afname van de vlakteweerstand van 10¹³ tot 10⁶ Ω/vierkant (Fig. 5). Rekening houdend met de GO-film-dikte van ongeveer 40 nm (zie AFM-resultaten in Additioneel bestand 1: Figuur S3 s (a)) is de resistiviteit gelijk aan ongeveer 4 × 10⁻² Ω m wat laag genoeg is maar veel hoger dan de waarde voor graafiet (1 × 10⁻⁵ Ω m).

De invloed van annering op resistiviteit van GO in dit smalle temperatuurbereik kan worden beschreven door twee processen met activeringsenergieën van E_A1 = 6,22 eV en E_A2 = 1,65 eV (zie inset Fig. 5). Zoals getoond door XPS-metingen, wordt geen aanzienlijke reductie van de GO waargenomen tijdens thermische annering in lucht in bereik van 50 tot 150 °C. Daarom kan worden voorgesteld dat de eerste activeringsenergie waarschijnlijk gerelateerd is aan een complex proces van interlaag water- en OH-groepen desorptie uit de GO-film (zie Fig. 2b) wat resulteert in een sterke afname van afstand tussen GO-lagen, wat de elektrische verbindingen tussen flakes van verschillende lagen verbetert en de resistiviteit van de GO-film aanzienlijk verlaagt.

Het tweede proces gerelateerd aan afname van de GO-film's resistiviteit is waarschijnlijk voornamelijk bepaald door het desorptieproces van epoxy- en alkoxy-zuurstofatomen samen met koolstof en door vorming van niet-geoxideerde grafeenclusters. De verkregen activeringsenergie is precies dezelfde als die verkregen uit resistiviteitsmetingen tijdens thermische reductie in een paper en is zeer vergelijkbaar met waarden geëxtraheerd door differentiële scanning calorimetrische (DSC) methode—1,47 eV in [21] en 1,73 eV in [40]. Het verschil kan geassocieerd zijn met de experimentele omstandigheden.

Om de stabiliteit van verkregen resistiviteit van het gereduceerde GO (rGO) in luchatmosfeer te schatten, werden de metingen herhaald voor dezelfde monsters na 6 maanden. De resistiviteit neemt niet meer dan tweemaal toe voor het anneringstemperatuurbereik van 180 tot 200 °C (lege vierkanten in Fig. 5) wat een goede stabiliteit van de rGO-structuur verkrijgbaar door laagtemperatuur-annering in luchatmosfeer attesteert.

AFM en SKPFM

AFM-oppervlakte-topografische kaarten van GO en rGO-films verkregen door druppelgietmethode worden gepresenteerd in Fig. 6. De films zijn dichte multi-flake structuren met dikte niet minder dan 30 nm (Fig. 6c). Voor betere schatting van gemiddelde dikte van onze film werd de dikte gecontroleerd over een druppel met behulp van AFM-staphoogteprofielen van krassen en was gelijk aan 30-40 nm voor ~70% van een oppervlakte van de druppel (Additioneel bestand 1: Figuur S5 (a)). Na thermische annering bij 230 °C gedurende 15 min, neemt de dikte van de druppel af met ongeveer 30% (zie Additioneel bestand 1: Figuur S5 (b),(c)). Bovendien, in sommige gevallen na 180 °C annering, worden enkele nano- en microbellen gevormd op het oppervlak van de films (Fig. 6b). Waarschijnlijk zijn deze microbellen geassocieerd met watermoleculen gedesorbeerd uit binnenste lagen van de GO-film alsmede ontstaan onbeheerde verontreinigingen in vloeistofoplossing van GO.

De afzonderlijke GO-flakes gedeponeerd op Ni-film uit dezelfde GO-oplossing werden bestudeerd door AFM- en SKPFM-methoden om de aard van de GO-materialtransformatie tijdens laagtemperatuur-annering beter te begrijpen. Initiële GO-flakes hebben dikte variërend van 8 tot 14 nm. De studie van dezelfde GO-flake na thermische reductie door AFM-methode stelt ons in staat om een verandering in dikte en structuurtopografie te meten (Fig. 7). De gemiddelde dikte van de GO-flake wordt sterk verminderd van 12,5 tot 7,2 nm voor annering bij 180 °C gedurende 15 min wat desorptie van watermoleculen en zuurstof-bevattende groepen uit het materiaal attesteert. Het moet worden opgemerkt dat de bestudeerde flake uit meerdere GO-lagen bestaat (ongeveer 7-8) die aanzienlijk dunner is dan de film verkregen door druppelgietmethode.

Kaarten van oppervlakte-contactpotentiaalverschillen (ten opzichte van Ni-film) als functie van de anneringstemperatuur worden gepresenteerd in Fig. 8. Verschillende belangrijke dingen moeten worden genoemd. Ten eerste neemt het oppervlakte-contactpotentiaalverschil (CPD) sterk toe binnen de GO-flake en bereikt de maximumwaarde van ongeveer 160 mV bij 140 °C annering. Verdere annering bij hogere temperatuur resulteert in herstel van de CPD. Ten tweede, er is een stabiele halo van CPD rond de flake die niet verandert in waarde met toename van de anneringstemperatuur. De halo heeft drie zones—ten minste twee zones (#1 en #2) gelegen buiten de flake en een (#3)—aan de rand van de flake (zie nummers in Fig. 9). Het is mogelijk om te suggereren dat externe zone #1 geassocieerd is met enkele verontreinigingen geaccumuleerd nabij de rand van flake tijdens het drogen van wateroplosser bij depositie, zone #2—met elektronextractie van Ni in gereduceerde GO-flake, terwijl de randzone #3—met stabiele adsorptie van carbonylgroepen welke desorptie temperatuur aanzienlijk hoger dan 220 °C vereist wat volledig bevestigd wordt door ons FTIR- en XPS-onderzoek.

De analyse van redenen die een dergelijke sterke toename van potentiaalverschil binnen de flake bij temperaturen van ongeveer 120-140 °C kunnen induceren leidt tot de conclusie dat dit effect waarschijnlijk geassocieerd is met de sterke afname van de werkafstand van genanostructureerd oppervlak. Dergelijk oppervlak wordt gevormd tijdens desorptie van zuurstof-epoxy-groepen samen met oppervlaktekoolstof volgend de chemische reactie: GO → rGO + CO↑ + CO₂↑ + H₂O↑. Desorptie van CO, CO₂ en H₂O-moleculen in hetzelfde temperatuurbereik werd getoond door thermische desorptie-experimenten in een paper. Generatie van grote hoeveelheid dergelijke koolstof-nano-eilanden resulteert in een afname van de gemiddelde werkafstand van flake-oppervlakte die het oppervlaktekoolstof verliest. daaropvolgende annering leidt tot desorptie van residueel oppervlaktekoolstof, wat de gemiddelde dikte van de flake vermindert, het oppervlak verplat en de werkafstand van het oppervlak verhoogt. De laatste factor resulteert in afname van het gemiddelde van CPD van de rGO-flake-oppervlakte ten opzichte van Ni-potentiaal.

De vergelijking van elektrische resistiviteitsmetingen met AFM- en SKPFM-metingen toont aan dat in beide gevallen twee typen processen worden waargenomen: het eerste geassocieerd met moleculaire interlaag waterdesorptie, en het tweede proces—met desorptie van zuurstof-epoxy-groepen samen met koolstofatomen. Deze processen in resistiviteit en AFM- en SKPFM-metingen manifesteren zich bij verschillende anneringstemperaturen. Het eerste proces verschijnt in resistiviteitsmeting tot 150 °C, terwijl voor AFM- en SKPFM-metingen het proces plaatsvindt tot 100-110 °C. Allereerst is zo'n temperatuursverschil gerelateerd aan verschillende locaties van het bestudeerde proces. De elektrische metingen zijn integraal en bepaald door de totale dikte van dikke (ongeveer 40 nm) GO-film, terwijl de AFM- en SKPFM-metingen de oppervlakte-gerichte zijn. Bovendien werd in een paper getoond dat het proces van waterdesorptie uit binnenste GO-lagen aanzienlijk moeilijker is en op hogere temperatuur zal verschijnen in dikke film.

Conclusies

Het uitgevoerde onderzoek van thermische reductie van GO in luchatmosfeer heeft getoond dat de laagtemperatuur-annering tot 250 °C toelaat om de GO-film's resistiviteit sterk te verlagen (ongeveer zeven ordes). In het bestudeerde bereik van de anneringstemperaturen vinden twee hoofdprocessen plaats. Het eerste proces is moleculaire water- en gebonden OH-groepen desorptie met sterke reductie van de filmdikte, het tweede proces wordt gecontroleerd door epoxy- en alkoxy-zuurstofdesorptie met vernietiging van koolstof-basale vlak dat de GO-werkafzung aanzienlijk verlaagt. Verhoogde temperatuur (180-200 °C) reinigt het oppervlak van koolstof-nano-inclusies, herstelt de rGO-werkafstand en verdunt de film. Resistiviteit van het gereduceerde GO-film is stabiel, niet sterk veranderend gedurende 6 maanden.