[論文レビュー] Fluorographene: mechanically strong and thermally stable two-dimensional wide-gap semiconductor

Rahul R. Nair, Wencai Ren+17 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2010

Graphene research and applications参考文献 40被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、1つの炭素原子が1つのフッ素原子と結合する化学计量的で二次元的なカーボン同素体、フルオログラフェンを紹介する。この材料は、100 N/mのヤング率（15%のひずみ耐性を有する）という顕著な機械的強度、空気中で400 °Cまで熱的安定性を示し、3 eVの光学バンドギャップと10¹² Ω·sqを超える抵抗率を有する広帯ギャップ半導体としての性質を示す。これにより、テフロンに類似した強固で絶縁性が高く、機械的強度に優れた2次元材料としての応用が可能である。

ABSTRACT

We report a stoichiometric derivative of graphene with a fluorine atom attached to each carbon. Raman, optical, structural, micromechanical and transport studies show that the material is qualitatively different from the known graphene-based nonstoichiometric derivatives. Fluorographene is a high-quality insulator (resistivity >10^12 Ohm per square) with an optical gap of 3 eV. It inherits the mechanical strength of graphene, exhibiting Young's modulus of 100 N/m and sustaining strains of 15%. Fluorographene is inert and stable up to 400C even in air, similar to Teflon.

研究の動機と目的

• 酸化グラフェンの化学計量的で完全にフルオレート化された誘導体を、より高い熱的および化学的安定性を有するように開発すること。
• 非化学計量的グラフェン誘導体と比較して、フルオログラフェンの機械的・電子的・光学的性質を調査すること。
• ナノスケールのエレクトロニクスおよび保護用途に、高性能で広帯ギャップ絶縁体としての可能性を評価すること。
• 大気中条件下でのフルオログラフェンの熱的安定性および電気的抵抗率を特定すること。

提案手法

• 1つの炭素原子に対して1つのフッ素原子が結合するよう制御されたグラフェンのフルオレート化により、化学計量的フルオログラフェンを合成する。
• ラマン分光法を用いて、フルオレート化された格子内の構造的完全性および欠陥密度を評価する。
• 光学透過率および反射率測定により、3 eVの光学バンドギャップを特定する。
• マイクロメカニカルエキスカーションおよび引張試験により、ヤング率（100 N/m）および破断ひずみ（15%）を測定する。
• 4点プローブ抵抗率測定により、電気的抵抗率（>10¹² Ω·sq）を定量的に評価する。
• 熱重量測定および熱機械的分析により、空気中で400 °Cまでの熱的安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学計量的フルオレート化は、グラフェンの機械的強度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 完全にフルオレート化されたグラフェンの電気的抵抗率およびバンドギャップは何か？
• RQ3 フルオログラフェンは大気中および高温条件下でどの程度安定か？
• RQ4 構造的および電子的性質の観点から、非化学計量的フルオレート化グラフェン誘導体と比較して、フルオログラフェンはどのように異なるか？
• RQ5 高温の大気中環境にさらされた後でも、フルオログラフェンはその絶縁性および構造的特性を維持できるか？

主な発見

• フルオログラフェンはヤング率100 N/mを示し、グラフェンが有する顕著な機械的強度が保持されていることを確認した。
• 破断に至るまでの弾性ひずみが最大15%まで持続可能であり、2次元絶縁体としては非常に高い延性を示している。
• フルオログラフェンは光学バンドギャップが3 eVであり、広帯ギャップ半導体に分類される。
• 電気的抵抗率が10¹² Ω·sqを超えており、優れた絶縁挙動を示していることが確認された。
• 材料は400 °Cまでの空気中での化学的不活性および熱的安定性を示し、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン）と同等の性能を示した。
• ラマン分光および構造的分析により、フルオログラフェンが非化学計量的フルオログラフェン誘導体とは定性的に異なることが確認された。