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。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、性能和行為研究進行了綜述，重點關注石墨烯因其在透射電鏡下對特定材料的獨特影響和相互作用，從而如何促進這些研究。本文概述了利用TEM和石墨烯對一系列納米材料進行的各種研究和表征，并討論了未來的挑戰和工程應用。

石墨烯-作為TEM襯底的優異性能

石墨烯是較薄的具有高結晶形態的材料。純晶體的原始石墨烯對TEM也是電子“透明的”，其分辨率高達2.13?，這是許多低溫透射電子顯微鏡獲得的分辨率。這是因為2.13?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產生背景噪聲，即使完全解析了晶格，也可以根據需要通過其快速傅里葉變換（FFT）輕松過濾信號。這使得在其表面聚焦和研究其他納米材料變得容易，因為要么石墨烯在較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。石墨烯在機械和彈性方面也很強，這使其能夠承受TEM內部的高真空條件。此外，已知它是一種良好的電導體，其電導率比無定形碳高出六個數量級，因此不會從電子束中帶電。將常規無定形碳和石墨烯作為TEM柵極襯底進行比較，石墨烯的厚度為一個原子，而無定形碳片的厚度可以在3至20 nm之間。此外，石墨烯的化學惰性使其在較低的加速電壓下比無定形碳襯底的反應性差。另外，如前所述，可以通過圖像的傅立葉濾波輕松地掩蓋結晶石墨烯，這對于非晶質襯底是不可能的。石墨烯的導電特性使其具有額外的優勢，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）是另一種相關材料，被廣泛用作顯微鏡的襯底。起初，當單層石墨烯的大面積合成和轉移仍然困難時，氧化石墨烯可以很容易地制備，也可以轉移到不同的底物上。然而，盡管它有原子層厚度，它的導電性有限，這取決于氧化程度。隨著石墨烯化學氣相沉積（CVD）合成技術的出現，可以很容易地合成和轉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移到TEM柵格上，從而產生獨立的石墨烯，提供了充足的周圍空間，并具有足夠的對比度以調節顯微鏡并聚焦在感興趣的區域之外。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越的穩定性，但它往往比單層石墨烯更硬，污染更嚴重。因此，盡管多層石墨烯仍然比非晶態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點和不同用途示意圖

另一種常用來成像單個納米粒子或分子的膜是碳納米管(CNTs)。碳納米管領域的發展早于石墨烯，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物種的一維特性。CNTs是強的、熱穩定的、機械強度高的，并且可以是原子薄的，這有助于通過納米管壁在實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網格上，隨后使用TEM進行研究，如分子、納米粒子、富勒烯、有機或生物分子等。將碳納米管的應用擴展到納米容器之外，它還被用作進行納米反應的容器。碳納米管為復雜分子提供了高效的平臺，其高度穩定和健壯的特性使其能夠控制被封裝的納米材料，同時為成像和在分子水平上研究化學反應提供了真實的空間。CNTs的高機械強度、高熱穩定性和化學惰性使其能夠在惡劣條件下在管內進行反應，而不會損傷其本身，也不會參與反應。然而，CNT中有限的空間和僅一個可運動的運動方向無法提供有關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，因為它為納米材料在表面上的自由運動提供了二維表面，而CNTs只提供了一個自由度。此外，納米顆粒可以很容易地在石墨烯上轉移，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用可以廣泛地分為五類:1)對吸附物和輕質原子本身以及它們與石墨烯的相互作用進行成像。2)在原位實驗中使用石墨烯作為惰性和機械穩定的襯底。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，有機化合物等）成像的封裝單元。5)作為一種獨特的材料，可以引導研究與使用電子來創建和研究與其他材料或樣品的混合界面， 通過利用表面碳殘基的懸空鍵的存在來形成束。