【摘要】 紫外光电子能谱(UPS)和x射线光电子能谱(XPS)测量数据采集了在超高真空和暴露于环境空气后新鲜切割的HOPG。

UPS已被用于表征有机薄膜和表面上的分子吸附。对不同非晶体系、石墨体系、HOPG和聚合物的溅射和薄膜生长的广泛研究表明，状态密度(DOS)的卷积变化与表面组成相关。

 

在UPS光子能量下，C2p态比C2s衍生态更受重视。这种特性使UPS成为比XPS更敏感的工具，可以探测表面吸附物质的价态、分子键和化学成分信息，并使UPS能够清楚地区分不同化学状态的碳。

 

在Muhammad Salim等人的工作中研究了高有序热解石墨(HOPG)暴露于环境空气后的表面化学性质。紫外光电子能谱(UPS)和x射线光电子能谱(XPS)测量数据采集了在超高真空和暴露于环境空气后新鲜切割的HOPG。如图一所示为其装置图。

图1 装置图

 

实验中还在空气中对HOPG样品进行了剥离，并在不同的空气暴露量后测量了它们的UPS光谱。任何污染物在表面的吸附预计会改变信号的总峰值位置/面积，相对于特高压剥落的HOPG频谱。

 

如图2所示，相对于UPS总光谱面积，这些样品在7.6 eV处显示出一次石墨σ峰强度的立即降低。在增加空气暴露期间，也观察到这一主要峰逐渐扩大。这种增宽可归因于吸附voc的数量和/或种类的增加。

 

在增加空气暴露后，观察到石墨π峰在2.9 eV时轻微向下移动，并增加了幅度。在13.7 eV的石墨峰中也观察到这种移位现象，随着空气暴露的增加，以及幅度的增加，可以观察到向12.8 eV的逐渐移位。

图2 HOPG在特高压(UHV Cleave)中裂解后、在空气中裂解后(air Cleave)以及暴露在空气中不同时间(空气15分钟、空气2小时和空气20小时)的UPS光谱

 

值得注意的是，UPS测量是在特高压下进行的，因此，UPS测量低估了大气压下的分子吸附。弱结合的物质，可能是低分子量和/或非极性的，在环境条件下可以吸附在表面上，但在UPS测量之前会解吸。

 

据报道，在特高压条件下，从石墨烯和石墨表面吸附的有机分子的温度程序化解吸(TPD)，并提供了在UPS测量中可能存在的吸附物的见解。

 

实验中通过将空气中剥离的HOPG与特高压中剥离的HOPG的UPS光谱进行比较，发现前者样品的表面成分发生了瞬时变化，观察到HOPG在环境空气中剥落过程中立即出现表面污染，我们将其归因于表面缺陷和台阶边缘的功能化。

 

额外的空气暴露导致污染层的进一步增长，以及随着时间的推移，从更弱的结合到更强的结合物种的动态组成变化。这项工作首次展示了石墨在空气中剥落后的直接污染以及长时间暴露后表面污染物的动态交换。

 

[1] Muhammad Salim, Justin Hurst, Michelle Montgomery, Nathan Tolman, Haitao Liu, Airborne contamination of graphite as analyzed by ultra-violet photoelectron spectroscopy, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, Volume 235, 2019, Pages 8-15.

 

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