長期以來，透射電子顯微鏡（TEM）一直被用作原子級納米材料的較終表征技術(shù)。在本文中，還提出了在TEM中使用石墨烯的重要性，以介紹使其成為表征其他納米材料所不可或缺的特性，并研究其性能和范德華相互作用。提供了使用TEM研究納米材料的重要性的廣泛概述，以及石墨烯作為研究各種低維材料的優(yōu)越襯底的興起。本文對一系列納米材料的形貌、性能和行為研究進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)關(guān)注石墨烯因其在透射電鏡下對特定材料的獨(dú)特影響和相互作用，從而如何促進(jìn)這些研究。本文概述了利用TEM和石墨烯對一系列納米材料進(jìn)行的各種研究和表征，并討論了未來的挑戰(zhàn)和工程應(yīng)用。

石墨烯-作為TEM襯底的優(yōu)異性能

石墨烯是較薄的具有高結(jié)晶形態(tài)的材料。純晶體的原始石墨烯對TEM也是電子“透明的”，其分辨率高達(dá)2.13?，這是許多低溫透射電子顯微鏡獲得的分辨率。這是因?yàn)?.13?的晶體周期性高于石墨烯的周期性，因此使其成為有效的“透明”襯底。此外，石墨烯的透射系數(shù)變化很大，從而有效地使其在特定的加速電壓下透明。0.34 nm的單原子厚度也幾乎不會(huì)產(chǎn)生背景噪聲，即使完全解析了晶格，也可以根據(jù)需要通過其快速傅里葉變換（FFT）輕松過濾信號(hào)。這使得在其表面聚焦和研究其他納米材料變得容易，因?yàn)橐词┰谳^高電壓下完全不可見，要么其晶格可以從圖像中完全過濾掉。石墨烯在機(jī)械和彈性方面也很強(qiáng)，這使其能夠承受TEM內(nèi)部的高真空條件。此外，已知它是一種良好的電導(dǎo)體，其電導(dǎo)率比無定形碳高出六個(gè)數(shù)量級，因此不會(huì)從電子束中帶電。將常規(guī)無定形碳和石墨烯作為TEM柵極襯底進(jìn)行比較，石墨烯的厚度為一個(gè)原子，而無定形碳片的厚度可以在3至20 nm之間。此外，石墨烯的化學(xué)惰性使其在較低的加速電壓下比無定形碳襯底的反應(yīng)性差。另外，如前所述，可以通過圖像的傅立葉濾波輕松地掩蓋結(jié)晶石墨烯，這對于非晶質(zhì)襯底是不可能的。石墨烯的導(dǎo)電特性使其具有額外的優(yōu)勢，即具有均一的表面電勢，可減少電子波的相位畸變。單層氧化石墨烯（GO）是另一種相關(guān)材料，被廣泛用作顯微鏡的襯底。起初，當(dāng)單層石墨烯的大面積合成和轉(zhuǎn)移仍然困難時(shí)，氧化石墨烯可以很容易地制備，也可以轉(zhuǎn)移到不同的底物上。然而，盡管它有原子層厚度，它的導(dǎo)電性有限，這取決于氧化程度。隨著石墨烯化學(xué)氣相沉積（CVD）合成技術(shù)的出現(xiàn)，可以很容易地合成和轉(zhuǎn)移大面積石墨烯作為TEM的襯底，從而減輕了氧化石墨烯膜使用固有的局限性。大面積石墨烯的可用性使得石墨烯可以很容易地從銅襯底轉(zhuǎn)移到TEM柵格上，從而產(chǎn)生獨(dú)立的石墨烯，提供了充足的周圍空間，并具有足夠的對比度以調(diào)節(jié)顯微鏡并聚焦在感興趣的區(qū)域之外。值得注意的是，多層石墨烯(MLG)更容易合成，因此更容易獲得。然而，盡管多層石墨烯具有優(yōu)越的穩(wěn)定性，但它往往比單層石墨烯更硬，污染更嚴(yán)重。因此，盡管多層石墨烯仍然比非晶態(tài)碳或氧化石墨烯襯底好得多，但單層石墨烯通常因其干凈且柔韌的表面而受到青睞(圖1)。

圖1. 石墨烯在電子透射顯微鏡中的優(yōu)點(diǎn)和不同用途示意圖

另一種常用來成像單個(gè)納米粒子或分子的膜是碳納米管(CNTs)。碳納米管領(lǐng)域的發(fā)展早于石墨烯，因此許多利用碳納米管襯底的原位TEM研究在此之前就進(jìn)行了。分子、離子或原子很容易被限制在碳納米管中，可以利用碳納米管作為納米容器來研究單個(gè)物種的一維特性。CNTs是強(qiáng)的、熱穩(wěn)定的、機(jī)械強(qiáng)度高的，并且可以是原子薄的，這有助于通過納米管壁在實(shí)際空間中直接研究分子。在過去的20年里，幾十種不同類型的納米材料被包裹在CNTs網(wǎng)格上，隨后使用TEM進(jìn)行研究，如分子、納米粒子、富勒烯、有機(jī)或生物分子等。將碳納米管的應(yīng)用擴(kuò)展到納米容器之外，它還被用作進(jìn)行納米反應(yīng)的容器。碳納米管為復(fù)雜分子提供了高效的平臺(tái)，其高度穩(wěn)定和健壯的特性使其能夠控制被封裝的納米材料，同時(shí)為成像和在分子水平上研究化學(xué)反應(yīng)提供了真實(shí)的空間。CNTs的高機(jī)械強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性使其能夠在惡劣條件下在管內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，而不會(huì)損傷其本身，也不會(huì)參與反應(yīng)。然而，CNT中有限的空間和僅一個(gè)可運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向無法提供有關(guān)二維分子行為的任何信息。此外，有限的空間、苛刻的插入工藝和彎曲的形狀降低了CNTs的適用性。石墨烯克服了這些因素，因?yàn)樗鼮榧{米材料在表面上的自由運(yùn)動(dòng)提供了二維表面，而CNTs只提供了一個(gè)自由度。此外，納米顆粒可以很容易地在石墨烯上轉(zhuǎn)移，只需在室溫下從溶液中滴入即可。

在透射電鏡中石墨烯作為襯底的應(yīng)用可以廣泛地分為五類:1)對吸附物和輕質(zhì)原子本身以及它們與石墨烯的相互作用進(jìn)行成像。2)在原位實(shí)驗(yàn)中使用石墨烯作為惰性和機(jī)械穩(wěn)定的襯底。3)直接用作納米材料高分辨率成像的襯底，否則無法以獨(dú)立形式獲得用于TEM觀察。4)作為用于對高電子束敏感材料（例如生物分子，有機(jī)化合物等）成像的封裝單元。5)作為一種獨(dú)特的材料，可以引導(dǎo)研究與使用電子來創(chuàng)建和研究與其他材料或樣品的混合界面， 通過利用表面碳?xì)埢膽铱真I的存在來形成束。