میکروسکوپی پروبی روبشی از گرافن-بخش اول

موادي با خواص بنیادی جدید که دانسته‌های ما را به چالش می‌کشاند، همواره مورد توجه محققین هستند. اگر ویژگی‌های بدیع این مواد به عرصه مهندسی دستگاه‌ها کشانده شده و کاربرد در خور توجهی بیابند، آنگاه دامنه این تحقیقات دیگر حد و مرزی نخواهد داشت. گرافن، شکل دو بعدی کربن، این مسیر را پیموده است. گرافن موضوع تعداد زیادی از تحقیقات نظری و عملی بوده است تا اینکه از سال 2004، هنگامی که از یک روش ساده و ظریف برای ساخت گرافن تک لایه‌ای استفاده شد، زمینه برای انجام تحقیقات بسیار گسترده فراهم گردید.

روش‌های بسیار زیادی موازی با این روش برای ساخت گرافن توسعه یافته است. با آشکار شدن ویژگی‌های ساختاری و الکترونیکی منحصربه فرد گرافن، مشخص گردید که روش میکروسکوپی پروبی روبشی یک روش جالب و فوق‌العاده برای مطالعه این ترکیب است. در این مقاله مروری، ‌روش میکروسکوپی پروبی روبشی و چگونگي استفاده از این روش به‌عنوان یک ابزار ضروری برای درک خواص گرافن و تحقیقات گرافن در آینده، بررسي شده‌است.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- ماهیت نامتعارف گرافن
2- مروری بر روش‌های میکروسکوپی پروبی روبشی
3- انواع گرافن
4- بررسی گرافن با میکروسکوپی پروبی روبشی
1-4- بررسی توپوگرافی با STM
1-1-4- گرافن ورقه‌ای روی پایه SiO₂
2-1-4- گرافن روی پایه SiC
3-1-4- پایه‌های فلزی
4-1-4- پایه گرافیت
5-1-4- گرافن روی h-BN
2-4- توپوگرافی با AFM
نتيجه‌گيري

کربن عنصر بسیار فراوانی است که در همه جا یافت می‌شود و در شیمی زندگی نقش عمده‌ای را ایفا می‌کند. این عنصر می‌تواند در اشکال مختلفی مانند الماس، گرافیت و کربن آمورف یافت شود. اتم‌های کربن می‌توانند پیوندهایی با آرایش فضایی متنوعی را به نمایش گذارند. بنابراین، سامانه‌های بر پایه کربن می‌توانند به‌صورت ساختارهای پایدار با خواص مختلف مانند نانولوله‌های کربنی تک بعدی و گرافیت سه بعدی، وجود داشته باشند. كربن با ساختار دوبعدي گرافن ناميده مي‌شود. گرافن شامل یک صفحه منفرد از اتم‌های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری به یکدیگر متصل شده‌اند که بلوک ساختمانی اصلی این سامانه محسوب می‌شود. گرافن می‌تواند غلطانده شود و نانولوله‌ای یک بعدی را به‌وجود آورد و یا این که در لایه‌هایی روی هم انباشته گردد و گرافیت سه بعدی را تشکیل دهد.
گرافن در اصل به‌صورت تئوری و به‌عنوان یک حالت دو بعدی از گرافیت سه بعدی مورد مطالعه قرار گرفت. شکل (1) شبکه لانه زنبوری گرافن را که با شبکه‌ای از مثلث‌هایی براساس 2 اتم در هر سلول واحد تشکیل شده‌است، نشان می‌دهد. هر اتم دارای چهار الکترون ظرفیتی، یک اربیتال s و سه اربیتال p است. یک اربیتال s و دو اربیتال p با یکدیگر هیبرید می‌شوند تا پیوندهای قوی کوالانسی را در یک صفحه به‌وجود آورند. اربیتال p، خارج از صفحه در رسانایی مشارکت می‌کند.
ابتدا گرافن در آزمایش‌های مربوط به تهیه گرافیت تک لایه‌ای به روش حرارت دادن کربید سیلیسيم در خلأ فوق‌العاده بالا کشف گردید. در تحقیقات گرافن، با ابداع روش ورقه شدن مکانیکی گرافیت برای جداسازی گرافن، پیشرفت غیرمنتظره‌ای روی داد. ابداع‌کنندگان این روش، نوسلو و گیم برندگان جایزه نوبل سال 2010 در رشته فیزیک بودند. آنها با استفاده از یک نوار چسبناک روی سطح گرافیت، به راحتی ورقه‌های گرافن را کنده و با میکروسکوپ نوری شناسایی کردند. تجزیه گرافيت به ساختار دو بعدی پایدار، پیش‌بینی نظری مبنی بر این که بلورهاي دو بعدی به لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار بوده و نمی‌توانند وجود داشته باشند را به چالش کشاند.

با استفاده از روش ورقه شدن مکانیکی، ساخت نمونه‌های گرافن برای اندازه‌گیری آسان‌تر شده و تحقیق در مورد گرافن به سرعت پیشرفت کرد. ورقه‌های گرافن روی پایه‌های دی‌اکسید سیلیسيم (SiO₂) و الکترودهای طلا که به‌عنوان الگو به‌کار برده می‌شوند، ترسیب می‌گردند. آزمایش‌های بعدی خواص استثنایی گرافن مانند اثر کوانتومی هال در دمای اتاق، تقارن شبه ذره‌ای، تقارن و ویژگی شبه اسپینی آن را آشکار کرد.
به‌دلیل گستره وسیع ویژگی‌های مجذوب کننده گرافن، تحقیقات با سرعت در حال پیشرفت است. مقالات مروری زیادی در مورد گرافن منتشر شده‌است که عمدتاً بر ویژگی‌های الکترونیکی و خواص انتقالی گرافن تمرکز نموده‌اند. همچنین چندین مقاله در مورد چشم‌انداز کاربردهای گرافن از کاربردهای الکترونیکی تا فوتونیکی بحث کرده است. در این مقاله مروری بیشتر بر خواص میکروسکوپی گرافن که با میکروسکوپ پروبی روبشی بررسی می‌شود، مورد بحث قرار گرفته است. مطالعات SPM ، تصویربرداری از ابزارهای گرافنی را در فضای واقعی با مقیاس اتمی امکان‌پذیر نموده است. روش‌های میکروسکوپ تونل‌زني روبشی، میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ دریچه روبشی و روش روبشی ترانزیستور الکترون منفرد در آشکارسازی خواص بنیادی گرافن نقشی اساسی ایفا نموده‌اند.
با توجه به این که گرافن دارای شکاف باند نیست، تحقیقات بسیاری با تمرکز روی مهندسی شکاف باند گرافن و با اجرای عملیات شیمیایی روی گرافن انجام شده‌است. براین اساس، راهبرد جدیدی بر پایه استفاده از گرافن خنثی از نظر شیمیایی برای کاربردهای دستگاهی، پایه‌ریزی شده‌است که باز هم روش‌های میکروسکوپی روبشی به‌ویژه AFM و STM نقشی حیاتی را در درک سطوح پایه در این راهبرد دارند.

میکروسکوپی پروبی روبشی مجموعه‌ای از روش‌های ایده‌آل برای مطالعه ترکیبات با ابعاد کم (نظير گرافن) هستند که به‌صورت مستقیم خواص الکترونیکی را در سطح بررسی می‌کنند. براساس نوع برهم‌‌کنش بین پروب و سطح، خواص مختلفی از سطح می‌تواند مورد بررسی قرار گیرد. لذا روش‌های SPM نقش عمده‌ای در پیشرفت درک ما از گرافن دارند. در بخش زیر، اصول اساسی عملکرد انواع مختلف SPM مورد استفاده در مطالعه گرافن، بحث مي‌شود. انواع این روش‌ها عبارتند از:
1-2- میکروسکوپی تونل‌زني روبشی (STM)
2-2- میکروسکوپی نیروی اتمی (AFM)
3-2- روش روبشی ترانزیستور الکترون منفرد
4-2- روش میکروسکوپی دریچه روبشی

براساس روش‌های تهیه، می‌توان گرافن را به انواع مختلفی طبقه‌بندی نمود. در این بخش، این روش‌ها توضیح داده شده و در مورد فواید و اشکالات هر روش بحث می‌شود.
1–3– روش مکانیکی ورقه کردن گرافن
1-1-3- گرافن روی SiO₂
2-1-3- گرافن معلق
3-1-3- گرافن روی پایه‌های دیگر
2-3- گرافن هم‌بافته روی SiC
3-3- رسوب بخار شیمیایی روی پایه‌های فلزی

به‌منظور یادآوری در این مقاله مروری، نتایج روش‌های مختلف SPM در بررسی گرافن شرح داده شده‌است.

شبکه لانه زنبوری تک لایه گرافن، با اندازه‌گیری‌های STM روی انواع گسترده‌ای از نمونه‌های گرافن مشاهده شده‌است. این اندازه‌گیری‌ها در بخش‌های زیر شرح داده شده‌اند.

تصاویر STM گرافن ورقه‌ای روی پایه SiO₂، ساختار هگزاگونالی تک لایه را نشان می‌دهند. همچنین شیارهای پایه زیرین SiO₂ در تصاویر، مدرکی است که ترکیب جزیی گرافن را روی SiO₂ نشان می‌دهد. شکل (2)، نمونه‌ای از تصاویر گرافن روی SiO₂ است که زبری سطح زیرین و همچنین ساختار هگزاگونالی را نشان می‌دهد. مشاهده شبکه هگزاگونالی، مشارکت الکترونیکی هر دو زیر شبکه اتم‌های کربن را تأیید می‌کند؛ در مقابل، همان‌طور که در تصویر گرافن دولایه‌ای مشاهده می‌شود و یا در مورد گرافیت سه بعدی که به‌صورت شبکه مثلثی به تصویر کشیده می‌شود، تنها یک زیر شبکه دارای مشارکت است، در حالی که دو صفحه روی یکدیگر انباشته شده‌اند.

گرافن روی پایه SiC در شرایط UHV رشد می‌یابد. نخستین تصاویر STM گرافن تک لایه‌ای روی 4H-SiC(001)، دو شیار در لایه میانی، شبکه مثلثی 6×6 با فواصل 1/8 نانومتر و شبکه  ×  با فواصل 0/54 نانومتر که به سلول واحد SiC مربوط می‌شود، را نشان می‌دهد. این تصاویر همچنین رشد پیوسته شبکه گرافن را روی پایه‌های SiC نشان می‌دهد.
در بررسی دیگری با STM، سه نوع نقص حلقه‌ای، نقص پراکندگی شش برابری و نقص نانولوله کربنی، موازی با سطح مشاهده می‌شود. مطالعات نشان می‌دهند که نقص‌ها در زیر بالاترین لایه گرافن قرار گرفته‌اند، زیرا فرآیندهایی مانند تبخیر سیلیسيم و هسته‌زایی کربن در طول فرآیند رشد گرافن روی می‌دهند.
گرافن رشد یافته روی صفحه C از SiC در کوره rf، دارای کیفیت بسیار بالایی با ضخامتی در حدود 4 تا 5 لایه، اندازه متوسط منسجم 3000Å و زبری RMS سطح < 0/05Å است. تصاویر AFM ورقه نازکی از گرافن با 10 تا 15 لایه روی سطح SiC، نشان می‌دهد که تراکم در مرحله گرافیتی شدن اولیه پایه حفظ شده‌است. این تصاویر در زمان سرد شدن SiC و گرافن تهیه شده که به‌دلیل اختلاف انبساط حرارتیSiC و گرافن خطوط درخشانی  روی آن مشاهده می‌شود که با نام پوکر شناخته می‌شوند. این پوکرها همچنین در وجه Si و صفحه Ni نیز دیده می‌شوند. مراحل نخست رشد گرافن روی صفحه C از پایه 6H-SiC، با روش میکروسکوپ الکترونی روبشی و تصویربرداری کنتراست کانال‌های الکترونی بررسی و مشخص شده‌است که گرافن در نواحی متمرکزی با جا‌به‌جایی‌هایی به شکل پیچشی در مرکز هر ناحیه، رشد می‌کند. مطالعات نشان می‌دهند که این جابه‌جایی‌های پیچشی به‌عنوان مکان‌های هسته‌زایی در رشد گرافن عمل می‌کنند.

گرافن می‌تواند با استفاده از روش رسوب بخار شیمیایی روی پایه‌های فلزی نیز رشد کند. برای مطالعه گرافنی که با این روش ساخته می‌شود، دو راه وجود دارد. این نوع گرافن می‌تواند یا روی پایه‌ای که روی آن رشد پیدا کرده مطالعه شود و یا با فرآیند حكاكي شیمیایی از پایه فلزی جدا شده و بر پایه‌های دیگری مانند SiO₂ منتقل شود. در این جا برخی مطالعات انجام شده با STM بر گرافن رشد یافته روی برخی از پایه‌های فلزی شرح داده شده‌است.
تصاویر STM تهیه شده در UHV از گرافن رشد یافته روی Ir(111)، یک ساختار منسجم با تراس‌ها و لبه‌های پیش‌رونده پله در محدوده میکرون را نشان می‌دهد. این ساختار با نواحی مویره با زاویه‌های مختلف شناسایی می‌شود. مطالعه دیگری که بر گرافن روی Ir(111) انجام شده‌است، برآمدگی‌هایی را روی سطح نشان می‌دهد که در زمان سرد شدن و به‌دلیل اختلاف زیاد انبساط حرارتی Ir و گرافن به‌وجود می‌آید.
نمونه‌ای ازگرافن با انباشت اتیلن در دمای بین 723 تا 1023کلوین روی پایه Pd(111) رشد داده شد. سپس این نمونه با UHV STM مورد مطالعه و شناسایی قرار گرفت. در این مطالعه مشخص شده‌است که صفحات گرافن دارای ماهیت نیمه‌رسانایی هستند. تصاویر گرافن تک لایه به ولتاژ بایاس وابسته بوده، همانند نیمه‌هادی‌ها، حالت‌های خالی و پر را به تصویر می‌کشد. اندازه‌گیری‌های dI/dV، یک گاف نواري 0/1±0/3 eVرا نشان می‌دهند. این گاف نواري برای گرافن تک لایه‌ای که به‌عنوان یک شبه فلز با گاف نواري صفر شناخته شده‌است، غیرعادی است. منشأ این گاف نواري بر اساس تغییر شکل اربیتال‌های π اتم‌های کربن در زمان برهم‌کنش با اتم‌های Pd پایه، توضیح داده می‌شود. این وضعیت به شکسته شدن متقارن دو زیرشبکه هگزاگونالی کربن منجر شده، باعث ایجاد گاف نواري می‌شود.
گرافن رشد یافته روی Cu(111)، توسط گائو و همکارانش بررسی شده‌است. فرآیند رشد با تجزیه گرمایی اتیلن در محفظه UHV و در دمای 1000 درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود. گرافن به شکل صفحاتی با چندین ناحیه مرزی روی سطح Cu(111) تشکیل می‌گردد. تصاویر STM به‌دلیل عدم تطبيق شبکه‌ای بین گرافن (2/46Å) و Cu(111) (2/56Å)، الگوهای مویره را نشان می‌دهند. برای الگوی مویره 2 نانومتر، محققین یک زاویه جهت‌گیری نادرست °7 را مشاهده نموده‌اند. الگوی مویره‌اي که بیش از همه مشاهده شده‌است، یک حالت تناوبی در 6/6 نانومتر و یک جهت‌گیری کامل شبکه گرافن با Cu(111) را نشان می‌دهد.
لازم به ذکر است که رشد گرافن به‌صورت یک تک صفحه همگن نیست. این گرافن با دانه‌ها، صفحات و نواحی مرزی شناخته می‌شود. دمای فوق‌العاده بالایی که گرافن در آن تشکیل می‌گردد، باعث حرکت پله‌های Cu و ایجاد برآمدگی‌های Cu زیر گرافن می‌شود که با استفاده از مطالعات میکروسکوپی الکترونی با انرژی پایین اثبات می‌شود. این نقص‌های ساختاری مانع تحرک حامل در گرافن می‌شود. برای رفع این مانع، یو و همکارانش، رشد طبق پیش الگوی دانه‌ای را مطرح کردند.

گرافن روی پایه گرافیت را در حالتی که بالاترین لایه آن از نظر الکتریکی از توده گرافیت جدا شده‌است نیز می‌توان بررسی نمود. این نوع از گرافن نخستین بار توسط لی و همکارانش مطالعه شد. این نوع جداشدگی سطحی از توده در HPOG مشاهده می‌شود ولی در گرافیت کیش موجود نیست (گرافیت کیش از آهن مذاب اشباع شده از کربن ساخته می‌شود که تک بلور است و HOPG از فرآیند پیرولیتیک گرافیت ساخته می‌شود که چند بلوري است).
مطالعه دیگری بر نمونه‌های مشابه گرافن انجام شده‌است؛ تصاویر STM به‌دست آمده، پوسته‌های گرافنی جدا شده را نشان می‌دهد که یک شبکه هگزاگونالی روی بالاترین لایه و یک شبکه مثلثی در زیر بالاترین لایه به‌وجود آورده‌اند. در شکل (3) مشاهده می‌شود که لایه‌ها با شیارهای طولانی روی سطح گرافیت جدا شده‌اند.

.

همان‌طور که در تصویربرداری با AFM و STM  نشان داده شده‌است، گرافن روی پایه‌های h-BN در مقایسه با SiO₂، کاهش چشمگیری را در زبری نشان می‌دهد. شکل (4-الف) و(4-ج) تصاویر STM ‌الگوهای مویره را نشان می‌دهند که نتیجه جهت‌گیری نسبی شبکه‌های گرافن و h-NB هستند. تبدیل فوریه در تصاویر STM (شکل‌های 4-ب و4-د) الگوهای مویره را در نزدیکی مرکز تصویر و اطراف هر نقطه شبکه‌ای، نشان می‌دهد.

AFM یک وسیله سودمند در مطالعات مربوط به گرافن است. این روش نخستین روش میکروسکوپی است که برای تصویربرداری از پوسته‌های گرافن ورقه‌ای استفاده شد و تغییر ضخامت ورقه‌های گرافن که با میکروسکوپ نوری روی لایه‌های مجزاي گرافن مشاهده شده بود را تأیید می‌کند.
تصویربرداری AFM در حالت غیرتماسی (NC-AFM) در UHV توسط ایشیگامی و همکارانش، نشان می‌دهد که گرافن تقریباً 60درصد از سطح اکسیدی صاف‌تر است. شیارهای گرافن به‌دلیل تشکیل جزئی آن در پایه SiO₂ است و به‌دلیل حالت موجی ذاتی گرافن نیست.
در بررسی ديگري از AFM و STM که توسط گرینجر و همکارانش انجام شد، شیارهای تصویر STM گرافن با شیارهای تصویر AFM برای SiO₂ مقایسه شدند. آنها مشاهده نمودند که شیارهای SiO₂ در تصویر AFM نسبت به شیارهای گرافنی که ادعا شده در تک لایه‌های گرافنی آن هیچ شیاری به‌وسیله پایه به‌وجود نیامده است، از نظر ارتفاع پایین‌تر بوده و دارای مقیاس طولی بزرگ‌تری است. این شیارها دارای طول موجی در حدود 15 نانومتر و زبری (rms) 0/32 نانومتر هستند. مطالعات آنها نشان داد که گرافن دقیقاً از شیارهای پایه پیروی نمی‌کند. خصلت ذاتی موج‌دار بودن گرافن معلق در SiO₂ نیز همچنان باقی می‌ماند. متقابلاً این مطالعات متضاد با اندازه‌گیری‌های UHV با توان تفکیک بالا و با استفاده از NC-AFM و STM توسط کالن و همکارانش مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. زبری (rms) برای SiO₂ ، 0/37 نانومتر و برای گرافن 0/35 نانومتر گزارش شده‌است. این موضوع نشان می‌دهد که گرافن اندکی از SiO₂ هموارتر است. شکل (5)، هیستوگرام انحنای سطحی به‌دست آمده از تصویربرداری NC-AFM با توان تفکیک بالا برای SiO₂ را رسم کرده و نشان می‌دهد که کمتر از 0/1 درصد سطح، دارای انحناي بیش از ^1–1nm است. آنها دریافتند که حالت موجی ذاتی گرافن روی SiO₂ به دلیل ملاحظات مربوط به انرژی، مجاز نیست. به‌علاوه، یک چسبندگی قوی هماهنگ از گرافن به پایه SiO₂ با صحت 99 درصد وجود دارد که کوچک‌ترین شکل‌ها را نیز در برمی‌گیرد. خصلت ذاتی موج‌دار بودن گرافن حتی با وجود این نظریه که انرژی لازم برای غلبه بر انرژی انحنا و چسبندگی گرافن مانع موج‌دار شدن گرافن می‌شود، همچنان وجود دارد.

گرافن نشانده شده روی پایه میکا نیز با استفاده از روش تصویربرداری NC-AFM، با جزئیات، مورد بررسی قرار گرفته است. تصاویر AFM نشان می‌دهند که پایه میکا از SiO₂ بسیار هموارتر است. میکا دارای انحراف استاندارد 3/34pm است، در حالی که SiO₂ دارای انحراف استاندارد 168pm است. در حالی که انحراف استاندارد ارتفاع برای هر پایه با گرافن اندکی کاهش می‌یابد، این همواری هنگامی که گرافن روی این پایه‌‌ها نشانده می‌شود نیز باقی می‌ماند. شکل (6)، هیستوگرام سطوح مختلف را رسم نموده است. هیستوگرام‌ها به‌وضوح نشان می‌دهند که گرافن روی میکا فوق‌العاده صاف و هموار است. در اینجا نکته کلیدی، انتخاب یک پایه هموار مناسب است که می‌تواند با برهم‌کنش‌های واندروالس میان لایه‌ای، حالت مواج گرافن را متوقف کند.
AFM برای رسم نقشه اصطکاک گرافن تک لایه‌ای ورقه‌ای نیز به‌کار برده شده‌است. تصاویر ميكروسكوپي نیروی اصطکاک گرافن ورقه‌ای در شرایط محیطی و همچنین در خلأ بسیار بالا با استفاده از حالت تماسی AFM تهیه شده‌است. برای بررسی آنیزوتروپی اصطکاک، نمونه از °0 تا °184 چرخانده می‌شود. تصویر (7)، نواحی میکرونی با ویژگی‌های اصطکاکی مختلف را نشان می‌دهد. آنیزوتروپی اصطکاک نیز به‌ علت جهت‌گیری‌های متفاوت ساختارهای موجی در هر ناحیه است. موج‌ها یا در طول فرآیند ورقه‌ای شدن و یا به دلیل تنش‌های مکانی که در پوسته گرافن تغییر شکل ایجاد می‌کنند، به‌وجود می‌آیند.

سطوح SiC(0001) که به‌صورت جزئی گرافیتی شده‌اند، با استفاده از روش‌های مختلف میکروسکوپی پروبی روبشی مانند STM، AFM، نیروی جانبی و میکروسکوپ نیروی اتمی هدایتی تصویربرداری شده‌اند. مشخص شده‌است که روش CAFM، روش بسیار سودمندی است زیرا در طول تصویربرداری در حالت تماسی، امکان کنترل و مشاهده جریان الکتریکی را از طریق سوزن AFM فراهم می‌آورد. تفاوت مشاهده شده در تصویر CAFM در مقایسه با گرافن هم‌بافته، به افزایش مقاومت تماسی سوزن – نمونه در نواحی6√3 . ،بستگی دارد. بنابراین، این یک روش سودمند برای تهیه نقشه فضایی نواحی گرافن هم‌بافته است. شکل (8)، تصاویر توپوگرافی و CAFM همان نواحی را در سطح SiC(0001) رسم کرده و مناطقی از سطح را با خواص الکتریکی متفاوت نشان می‌دهد.

در اين مقاله، بررسی گرافن با روش‌های پروبی روبشی با جزئیات کامل شرح داده شده‌است. این روش‌ها در روشن نمودن ارتباط بین ساختار و خواص الکتریکی گرافن مفید هستند. تصویربرداری در مقیاس اتمی و اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی با توان تفکیک فضایی به درک مکانیسم پراکندگی در نمونه‌های گرافنی کمک مي‌نمايد. اطلاعات فضایی که با این اندازه‌گیری‌ها فراهم شده‌است، دارای مزیتی فراتر از اندازه‌گیری‌های انتقالی کلی است که موقعیت نقطه دیراک و قابلیت تحرک را برای کل نمونه گرافنی فراهم می‌آورد. در نظر گرفتن بی‌نظمی‌های میکروسکوپی داخلی به‌صورت تابعی از موقعیت، برگرفته از یک دیدگاه بنیادین است. چنین اطلاعات پایه‌ای برای پیشرفت این حوزه مهم است، به‌عنوان مثال، بررسی دقیق غیریکنواختی بار در نمونه‌های گرافنی روی SiO₂ منجر به رویکردی مانند استفاده از h-BN در زیر گرافن گردید تا نمونه‌هایی با بی‌نظمی‌های کمتر ساخته شود. روش STM در تأیید پیش‌بینی‌های تئوری مانند کرنش ناشی از میدان مغناطیسی و کوانتیزه شدن سطح لاندو در گرافن کمک نموده است. روش STM یک ابزار تصویربرداری ایده‌آل برای بررسی کیفیت نمونه‌های گرافن است، به‌ویژه هنگامی که روش‌های جدیدی مانند تجزیه حرارتی اتیلن برای رشد گرافن کشف می‌شود. عامل‌دار نمودن شيميايي گرافن برای دست‌یابی به هدف باز شدن گاف نواري در گرافن همچنان در حال پیشرفت است. بنابراین، میکروسکوپی پروبی روبشی یک وسیله ضروری برای پیشبرد تحقیقات در مورد گرافن است.