The chemical functionalization of graphene nanomaterials allows for the enhancement of their properties for novel functional applications. However, a better understanding of the functionalization process by determining the amount and location of functional groups within individual graphene nanoplatelets remains challenging. In this work, we demonstrate the capability of tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) to investigate the degree and spatial variability of the appearance of disorder in graphitic nanomaterials on the nanoscale with three different levels of nitrogen functionalization. TERS results are in excellent agreement with those of confocal Raman spectroscopy and chemical analysis, determined using x-ray photoelectron spectroscopy and time-of-flight secondary ion mass spectrometry, of the functionalized materials. This work paves the way for a better understanding of the functionalization of graphene and graphitic nanomaterials at the nano-scale, micro-scale, and macro-scale and the relationship between the techniques and how they relate to the changes in material properties of industrial importance.

1.
J. R.
Potts
,
D. R.
Dreyer
,
C. W.
Bielawski
, and
R. S.
Ruoff
,
Polymer
52
,
5
(
2011
).
2.
Q.
Wu
,
Y.
Xu
,
Z.
Yao
,
A.
Liu
, and
G.
Shi
,
ACS Nano
4
,
1963
(
2010
).
3.
X.
Ma
,
H.
Tao
,
K.
Yang
,
L.
Feng
,
L.
Cheng
,
X.
Shi
,
Y.
Li
,
L.
Guo
, and
Z.
Liu
,
Nano Res.
5
,
199
(
2012
).
4.
X.-D.
Zhuang
,
Y.
Chen
,
G.
Liu
,
P.-P.
Li
,
C.-X.
Zhu
,
E.-T.
Kang
,
K.-G.
Noeh
,
B.
Zhang
,
J.-H.
Zhu
, and
Y.-X.
Li
,
Adv. Mater.
22
,
1731
(
2010
).
5.
J. D.
Roy-Mayhew
,
D. J.
Bozym
,
C.
Punckt
, and
I. A.
Aksay
,
ACS Nano
4
,
6203
(
2010
).
6.
Y.
Huang
,
X.
Dong
,
Y.
Liu
,
L.-J.
Li
, and
P.
Chen
,
J. Mater. Chem.
21
,
12358
(
2011
).
7.
V. K.
Thakur
and
M. K.
Thakur
,
Chemical Functionalization of Carbon Nanomaterials: Chemistry and Applications
(
CRC Press
,
2015
).
8.
V.
Georgakilas
,
M.
Otyepka
,
A. B.
Bourlinos
,
V.
Chandra
,
N.
Kim
,
K. C.
Kemp
,
P.
Hobza
,
R.
Zboril
, and
K. S.
Kim
,
Chem. Rev.
112
,
6156
(
2012
).
9.
T.
Kuila
,
S.
Bose
,
A. K.
Mishra
,
P.
Khanra
,
N. H.
Kim
, and
J. H.
Lee
,
Prog. Mater. Sci.
57
,
1061
(
2012
).
10.
T.
Deckert-Gaudig
,
A.
Taguchi
,
S.
Kawata
, and
V.
Deckert
,
Chem. Soc. Rev.
46
,
4077
(
2017
).
11.
N.
Kumar
,
B. M.
Weckhuysen
,
A. J.
Wain
, and
A. J.
Pollard
,
Nat. Protoc.
14
,
1169
(
2019
).
12.
13.
X.
Wang
,
S.-C.
Huang
,
T.-X.
Huang
,
H.-S.
Su
,
J.-H.
Zhong
,
Z.-C.
Zeng
,
M.-H.
Li
, and
B.
Ren
,
Chem. Soc. Rev.
46
,
4020
(
2017
).
14.
Y.-P.
Huang
,
S.-C.
Huang
,
X.-J.
Wang
,
N.
Bodappa
,
C.-Y.
Li
,
H.
Yin
,
H.-S.
Su
,
M.
Meng
,
H.
Zhang
,
B.
Ren
,
Z.-L.
Yang
,
R.
Zenobi
,
Z.-Q.
Tian
, and
J.-F.
Li
,
Angew. Chem., Int. Ed.
57
,
7523
(
2018
).
15.
D.
Kurouski
,
A.
Dazzi
,
R.
Zenobi
, and
A.
Centrone
,
Chem. Soc. Rev.
49
,
3315
(
2020
).
16.
N.
Kumar
,
B.
Stephanidis
,
R.
Zenobi
,
A. J.
Wain
, and
D.
Roy
,
Nanoscale
7
,
7133
(
2015
).
17.
N.
Kumar
,
C. S.
Wondergem
,
A. J.
Wain
, and
B. M.
Weckhuysen
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
1669
(
2019
).
18.
N.
Kumar
,
S.
Kalirai
,
A. J.
Wain
, and
B. M.
Weckhuysen
,
ChemCatChem
11
,
417
(
2019
).
19.
N.
Kumar
,
A.
Zoladek-Lemanczyk
,
A. A. Y.
Guilbert
,
W.
Su
,
S. M.
Tuladhar
,
T.
Kirchartz
,
B. C.
Schroeder
,
I.
McCulloch
,
J.
Nelson
,
D.
Roy
, and
A.
Castro
,
Nanoscale
9
,
2723
(
2017
).
20.
X.
Wang
,
D.
Zhang
,
K.
Braun
,
H.-J.
Egelhaaf
,
C. J.
Brabec
, and
A. J.
Meixner
,
Adv. Funct. Mater.
20
,
492
(
2010
).
21.
N.
Kumar
,
M. M.
Drozdz
,
H.
Jiang
,
D. M.
Santos
, and
D. J.
Vaux
,
Chem. Commun.
53
,
2451
(
2017
).
22.
N.
Kumar
,
Amino Acids, Peptides and Proteins
(
The Royal Society of Chemistry
,
2019
), Vol. 43, p.
127
.
23.
N.
Kumar
,
W.
Su
,
M.
Veselý
,
B. M.
Weckhuysen
,
A. J.
Pollard
, and
A. J.
Wain
,
Nanoscale
10
,
1815
(
2018
).
24.
T.-A.
Yano
,
T.
Ichimura
,
S.
Kuwahara
,
F.
H’Dhili
,
K.
Uetsuki
,
Y.
Okuno
,
P.
Verma
, and
S.
Kawata
,
Nat. Commun.
4
,
2592
(
2013
).
25.
Y.
Okuno
,
Y.
Saito
,
S.
Kawata
, and
P.
Verma
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
216101
(
2013
).
26.
A.
Weber-Bargioni
,
A.
Schwartzberg
,
M.
Cornaglia
,
A.
Ismach
,
J. J.
Urban
,
Y.
Pang
,
R.
Gordon
,
J.
Bokor
,
M. B.
Salmeron
,
D. F.
Ogletree
,
P.
Ashby
,
S.
Cabrini
, and
P. J.
Schuck
,
Nano Lett.
11
,
1201
(
2011
).
27.
M.
Fleischer
,
A.
Weber-Bargioni
,
M. V. P.
Altoe
,
A. M.
Schwartzberg
,
P. J.
Schuck
,
S.
Cabrini
, and
D. P.
Kern
,
ACS Nano
5
,
2570
(
2011
).
28.
W.
Su
,
N.
Kumar
,
N.
Dai
, and
D.
Roy
,
Chem. Commun.
52
,
8227
(
2016
).
29.
W.
Su
,
N.
Kumar
,
A.
Krayev
, and
M.
Chaigneau
,
Nat. Commun.
9
,
2891
(
2018
).
30.
S.
Mignuzzi
,
N.
Kumar
,
B.
Brennan
,
I. S.
Gilmore
,
D.
Richards
,
A. J.
Pollard
, and
D.
Roy
,
Nanoscale
7
,
19413
(
2015
).
31.
E. J.
Legge
,
K. R.
Paton
,
M.
Wywijas
,
G.
McMahon
,
R.
Pemberton
,
N.
Kumar
,
A. P.
Aranga Raju
,
C. P.
Dawson
,
A. J.
Strudwick
,
J. W.
Bradley
,
V.
Stolojan
,
S. R. P.
Silva
,
S. A.
Hodge
,
B.
Brennan
, and
A. J.
Pollard
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
13481
(
2020
).
32.
J.
Rogalski
,
K.
Braun
,
A.
Horneber
,
M.
van den Berg
,
J.
Uihlein
,
H.
Peisert
,
T.
Chassé
,
A. J.
Meixner
, and
D.
Zhang
,
Vib. Spectrosc.
91
,
128
(
2017
).
33.
N.
Kumar
,
S.
Mignuzzi
,
W.
Su
, and
D.
Roy
,
EPJ Tech. Instrum.
2
,
9
(
2015
).
34.
W.
Su
,
N.
Kumar
,
S.
Mignuzzi
,
J.
Crain
, and
D.
Roy
,
Nanoscale
8
,
10564
(
2016
).
35.
W.
Su
,
N.
Kumar
,
S. J.
Spencer
,
N.
Dai
, and
D.
Roy
,
Nano Res.
8
,
3878
(
2015
).
36.
C.
Casiraghi
,
A.
Hartschuh
,
H.
Qian
,
S.
Piscanec
,
C.
Georgi
,
A.
Fasoli
,
K. S.
Novoselov
,
D. M.
Basko
, and
A. C.
Ferrari
,
Nano Lett.
9
,
1433
(
2009
).
37.
M. A.
Pimenta
,
G.
Dresselhaus
,
M. S.
Dresselhaus
,
L. G.
Cançado
,
A.
Jorio
, and
R.
Saito
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
9
,
1276
(
2007
).
38.
A. C.
Ferrari
,
J. C.
Meyer
,
V.
Scardaci
,
C.
Casiraghi
,
M.
Lazzeri
,
F.
Mauri
,
S.
Piscanec
,
D.
Jiang
,
K. S.
Novoselov
,
S.
Roth
, and
A. K.
Geim
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
187401
(
2006
).
39.
L. M.
Malard
,
M. A.
Pimenta
,
G.
Dresselhaus
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rep.
473
,
51
(
2009
).
40.
A. C.
Ferrari
and
J.
Robertson
,
Phys. Rev. B
61
,
14095
(
2000
).
41.
L.
Gustavo Cançado
,
M.
Gomes da Silva
,
E. H.
Martins Ferreira
,
F.
Hof
,
K.
Kampioti
,
K.
Huang
,
A.
Pénicaud
,
C.
Alberto Achete
,
R. B.
Capaz
, and
A.
Jorio
,
2D Mater.
4
,
025039
(
2017
).
42.
A. J.
Pollard
,
B.
Brennan
,
H.
Stec
,
B. J.
Tyler
,
M. P.
Seah
,
I. S.
Gilmore
, and
D.
Roy
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
253107
(
2014
).
43.
A. C.
Ferrari
,
Solid State Commun.
143
,
47
(
2007
).
44.
A.
Eckmann
,
A.
Felten
,
A.
Mishchenko
,
L.
Britnell
,
R.
Krupke
,
K. S.
Novoselov
, and
C.
Casiraghi
,
Nano Lett.
12
,
3925
(
2012
).
45.
M. P.
Seah
,
I. S.
Gilmore
, and
S. J.
Spencer
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
120
,
93
(
2001
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.