Nature Communication | 二维材料表面疏水层的原子级成像

材料的界面水在水分子与表面相互作用的过程中起着关键作用。然而，之前由于缺乏合适的理论和实验工具，界面水的结构和功能没有得的透彻的研究。近日，马德里材料研究所的Ricardo Garcia课题组在Nature Communication上发表了题为Atomic-scale mapping of hydrophobic layers on graphene and few-layer MoS2 and WSe2 in water的文章。文章中采用具有埃米级分辨率的Cypher 3D-AFM技术，对不同二维材料（石墨烯、多层MoS2 、多层 WSe2）界面水的三维结构进行了表征。在3D-AFM中，微悬臂梁在blueDrive光热效应的激发下以第二特征模态进行稳定振动，Z压电陶瓷以正弦波的形式调制探针和样品的距离，同时XY压电陶瓷进行逐行扫描运动。通过force-distance曲线分析推导出不同水化层相对于固体表面的位置。分析表明，二维材料-水界面处大概2nm的厚度内，形成了具有层状结构的疏水层。根据数据可以计算出，石墨烯、多层MoS2、多层WSe2表面的几个疏水层间距约为0.50nm。

图1 (a-d) 3D-AFM在不同二维材料表面的界面水图像。

图像显示了探针振动相位随xyz位置的变化。深色条纹和浅色条纹交替出现，反映了水分子密度的变化。这些变化产生了几埃的分层结构，其中二维材料(疏水表面)的界面结构比云母(亲水表面)的界面结构更深。三维图像的底部是不同材料表面的晶格分辨率图像。

图2 force-distance曲线对应到2D-AFM图像上可以分析疏水层的层间距。