Kelvin probe force microscopy (KPFM) is a powerful technique for the determination of the contact potential difference (CPD) between an atomic force microscope tip and a sample under ambient and vacuum conditions. However, for many energy storage and conversion systems, including graphene-based electrochemical capacitors, understanding electrochemical phenomena at the solid–liquid interface is paramount. Despite the vast potential to provide fundamental insight for energy storage materials at the nanoscale, KPFM has found limited applicability in liquid environments to date. Here, using dual harmonic (DH)-KPFM, we demonstrate CPD imaging of graphene in liquid. We find good agreement with measurements performed in air, highlighting the potential of DH-KPFM to probe electrochemistry at the graphene–liquid interface.

1.
M.
Pumera
,
Energy Environ. Sci.
4
,
668
674
(
2010
).
2.
T. Y.
Kim
,
H. W.
Lee
,
M.
Stoller
,
D. R.
Dreyer
,
C. W.
Bielawski
,
R. S.
Ruoff
, and
K. S.
Suh
,
ACS Nano
5
,
436
442
(
2011
).
3.
L.
Zhang
,
F.
Zhang
,
X.
Yang
,
G.
Long
,
Y.
Wu
,
T.
Zhang
,
K.
Leng
,
Y.
Huang
,
Y.
Ma
,
A.
Yu
, and
Y.
Chen
,
Sci. Rep.
3
,
1408
(
2013
).
4.
S.
Banerjee
,
J.
Shim
,
J.
Rivera
,
X.
Jin
,
D.
Estrada
,
V.
Solovyeva
,
X.
You
,
J.
Pak
,
E.
Pop
,
N.
Aluru
, and
R.
Bashir
,
ACS Nano
7
,
834
843
(
2013
).
5.
Y.
Wenjing
,
Y.
Zhou
,
Y.
Li
,
C.
Li
,
H.
Peng
,
J.
Zhang
,
Z.
Liu
,
L.
Dai
, and
G.
Shi
,
Sci. Rep.
3
,
2248
(
2013
).
6.
M.
Nonnenmacher
,
M. P.
O'Boyle
, and
H. K.
Wickramasinghe
,
Appl. Phys. Lett.
58
,
2921
2923
(
1991
).
7.
A. K.
Sinensky
and
A. M.
Belcher
,
Nat. Nanotechnol.
2
,
653
659
(
2007
).
8.
F.
Mohn
,
L.
Gross
, and
G.
Meyer
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
227
231
(
2012
).
9.
M. Z.
Bazant
,
M. S.
Kilic
,
B. D.
Storey
, and
A.
Ajdari
,
Adv. Colloid Interface Sci.
152
,
48
88
(
2009
).
10.
A. C.
Hillier
,
S.
Kim
, and
A. J.
Bard
,
J. Phys. Chem.
100
,
18808
18817
(
1996
).
11.
R.
Raiteri
and
H. J.
Butt
,
J. Phys. Chem.
99
,
15728
15732
(
1995
).
12.
A. L.
Domanski
,
E.
Sengputa
,
K.
Bley
,
M. B.
Untch
,
S. A. L.
Weber
,
K.
Landfester
,
C. K.
Weiss
,
H. J.
Butt
and
R.
Berger
,
Langmuir
28
,
13892
13899
(
2012
).
13.
O.
Takeuchi
,
Y.
Ohrai
,
S.
Yoshida
, and
H.
Shigekawa
,
Jpn. J. Appl. Phys.
46
,
5626
(
2007
).
14.
L.
Collins
,
J. I.
Kilpatrick
,
M.
Bhaskaran
,
S.
Sriram
,
S. A. L.
Weber
,
S. P.
Jarvis
, and
B. J.
Rodriguez
,
Applications of Ferroelectrics held jointly with 2012 European Conference on the Applications of Polar Dielectrics and 2012 International Symposium on Piezoresponse Force Microscopy and Nanoscale Phenomena in Polar Materials (ISAF/ECAPD/PFM), 2012 International Symposium
(IEEE,
2012
), pp. 1–4.
15.
N.
Kobayashi
,
H.
Asakawa
, and
T.
Fukuma
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
123705
(
2010
).
16.
N.
Kobayashi
,
H.
Asakawa
, and
T.
Fukuma
,
J. Appl. Phys.
110
,
044315
(
2011
).
17.
L.
Collins
,
J. I.
Kilpatrick
,
S. A. L.
Weber
,
A.
Tselev
,
I. V.
Vlassiouk
,
I. N.
Ivanov
,
S.
Jesse
,
S. V.
Kalinin
, and
B. J.
Rodriguez
,
Nanotechnology
24
,
475702
(
2013
).
18.
D.
Prasai
,
J. C.
Tuberquia
,
R. R.
Harl
,
G. K.
Jennings
, and
K. I.
Bolotin
,
ACS Nano
6
,
1102
1108
(
2012
).
19.
N.
Balke
,
S.
Jesse
,
Y.-H.
Chu
, and
S. V.
Kalinin
,
ACS Nano
6
,
5559
5565
(
2012
).
20.
D. J.
Marchand
,
E.
Hsiao
, and
S. H.
Kim
,
Langmuir
29
,
6762
6769
(
2013
).
21.
B.
Kumar
and
S. R.
Crittenden
,
Nanotechnology
24
,
435701
(
2013
).
22.
L.
Fumagalli
,
D. E.
Ferrer
,
A.
Cuervo
,
J. L.
Carrascosa
, and
G.
Gomilla
,
Nature Mater.
11
,
808
816
(
2012
).
23.
G.
Gramse
,
A.
Dols-Pérez
,
M.
Edwards
,
L.
Fumagalli
, and
G.
Gomila
,
Biophys. J.
104
,
1257
1262
(
2013
).
24.
I.
Vlassiouk
,
M.
Regmi
,
P.
Fulvio
,
S.
Dai
,
P.
Datskos
,
G.
Eres
, and
S.
Smirnov
,
ACS Nano
5
,
6069
6076
(
2011
).
25.
I.
Vlassiouk
,
P.
Fulvio
,
H.
Meyer
,
N.
Lavrik
,
S.
Dai
,
P.
Datskos
, and
S.
Smirnov
,
Carbon
54
,
58
67
(
2013
).
26.
O.
Cherniavskaya
,
L.
Chen
,
V.
Weng
,
L.
Yuditsky
, and
L. E.
Brus
,
J. Phys. Chem. B
107
,
1525
1531
(
2003
).
27.
S.
Chen
,
L.
Brown
,
M.
Levendorf
,
W.
Cai
,
S.-Y.
Ju
,
J.
Edgeworth
,
X.
Li
,
C. W.
Magnuson
,
A.
Velamakanni
,
R. D.
Piner
,
J.
Kang
,
J.
Park
, and
R. S.
Ruoff
,
ACS Nano
5
,
1321
1327
(
2011
).
28.
W.
Zhang
,
S.
Lee
,
K. L.
McNear
,
T. F.
Chung
,
S.
Lee
,
K.
Lee
,
S. A.
Crist
,
T. L.
Ratliff
,
Z.
Zhong
,
Y. P.
Chen
, and
C.
Yang
,
Sci. Rep.
4
,
4097
(
2014
).
29.
R. M.
Pashley
,
M.
Rzechowicz
,
L. R.
Pashley
, and
M. J.
Francis
,
J. Phys. Chem. B
109
,
1231
1238
(
2005
).
30.
L.
Nilsson
,
M.
Andersen
,
R.
Balog
,
E.
Lægsgaard
,
P.
Hofmann
,
F.
Besenbacher
,
B.
Hammer
,
I.
Stensgaard
, and
L.
Hornekær
,
ACS Nano
6
,
10258
10266
(
2012
).
31.
W.
Choi
,
I.
Lahiri
,
R.
Seelaboyina
, and
Y. S.
Kang
,
Crit. Rev. Solid State
35
,
52
71
(
2010
).
32.
D. W.
Wang
,
F.
Li
,
S.
Wu
,
W.
Ren
, and
H. M.
Cheng
,
Electrochem. Commun.
11
,
1729
1732
(
2009
).
33.
F.
Banhart
,
J.
Kotakoski
, and
A. V.
Krasheninnikov
,
ACS Nano
5
,
26
41
(
2011
).
34.
Y.
Wang
,
Z.
Shi
,
Y.
Huang
,
Y.
Ma
,
C.
Wang
,
M.
Chen
, and
Y.
Chen
,
J. Phys. Chem. C
113
,
13103
13107
(
2009
).
35.
M. D.
Stoller
,
S.
Park
,
Y.
Zhu
,
J.
An
, and
R. S.
Ruoff
,
Nano Lett.
8
,
3498
3502
(
2008
).
36.
E. J.
Yoo
,
J.
Kim
,
E.
Hosono
,
H. S.
Zhou
,
T.
Kudo
, and
I.
Honma
,
Nano Lett.
8
,
2277
2282
(
2008
).
37.
B. J.
Rodriguez
,
C.
Callahan
,
S. V.
Kalinin
, and
R.
Proksch
,
Nanotechnology
18
,
475504
(
2007
).
38.
S.
Jesse
,
S. V.
Kalinin
,
R.
Proksch
,
A. P.
Baddorf
, and
B. J.
Rodriguez
,
Nanotechnology
18
,
435503
(
2007
).
39.
Y.
Yang
,
K. M.
Mayer
, and
J.
Hafner
,
Biophys. J.
92
,
1966
1974
(
2007
).
40.
M. Z.
Bazant
,
K.
Thornton
, and
A.
Ajdari
,
Phys. Rev. E
70
,
021506
(
2004
).
41.
F.
Mansfeld
,
J. Appl. Electrochem.
25
,
187
202
(
1995
).
42.
T. G.
Drummond
,
M. G.
Hill
, and
J. K.
Barton
,
Nat. Biotechnol.
21
,
1192
1199
(
2003
).
43.
M.
Zhou
,
Y.
Zhai
, and
S.
Dong
,
Anal. Chem.
81
,
5603
5612
(
2009
).
44.
H.
Hill
,
Coord. Chem. Rev.
151
,
115
123
(
1996
).
45.
C.
Shan
,
H.
Song
,
J.
Song
,
D.
Han
,
A.
Ivaska
, and
L.
Niu
,
Anal. Chem.
81
,
2378
2382
(
2009
).
You do not currently have access to this content.