[論文レビュー] Organometallic Complexes of Graphene and Carbon Nanotubes: Introducing New Perspectives in Atomtronics, Spintronics, High Mobility Graphene Electronics and Energy Conversion Catalysis

Santanu Sarkar, Robert C. Haddon|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2014

Graphene research and applications参考文献 84被引用数 47

ひとこと要約

本稿は、金属原子／クラスターとグラフェン／カーボンナノチューブの間の電子的および化学的相互作用を調査し、ア tomtronics、スピントロニクス、高移動度トランジスタ、エネルギー変換触媒反応におけるその可能性を示している。有機金属機能化が、電子的特性および触媒活性を向上させたグラフェンベースデバイスの設計に向けた道筋であると強調している。

ABSTRACT

Here we present an overview of recent fundamental studies on the nature of the interaction between individual metal atoms and metal clusters and the conjugated surfaces of graphene and carbon nanotube with a particular focus on the electronic structure and chemical bonding at the metal-graphene interface. We discuss the relevance of organometallic complexes of graphitic materials to the development of a fundamental understanding of these interactions and their application in atomtronics as atomic interconnects, high mobility organometallic transistor devices, high-frequency electronic devices, organometallic catalysis (hydrogen fuel generation by photocatalytic water splitting, fuel cells, hydrogenation), spintronics, memory devices and in the next generation energy devices. We touch on CVD graphene grown on metals, the reactivity of its surface, and its use as a template for asymmetric graphene functionalization chemistry (ultrathin Janus discs). We highlight some of the latest advances in understanding the nature of interactions between metals and graphene surfaces from the standpoint of metal overlayers deposited on graphene and SWNT thin films. Finally, we comment on the major challenges facing the field and the opportunities for technological applications.

研究の動機と目的

• 金属-グラフェン界面における基本的な電子構造および化学結合の理解を図ること。
• 有機金属錯体が次世代エレクトロニクスおよびエネルギー変換デバイスの実現に寄与する可能性を探ること。
• CVD法で成長させたグラフェンが金属基板上に、非対称的機能化のためのテンプレートとして果たす役割を調査すること。
• 金属被覆カーボンナノ構造が高周波および高移動度エレクトロニクスデバイスに実用可能かどうかを評価すること。
• 触媒反応およびスピントロニクス分野における金属-グラフェン系の実用的応用開発における課題と機会を特定すること。

提案手法

• グラフェンおよび単層カーボンナノチューブ（SWNTs）上に金属接着原子およびクラスターを用いた理論的および実験的研究を実施すること。
• 密度汎関数理論（DFT）および分光技術を用いて金属-グラフェン相互作用を解析し、電子構造を分析すること。
• 化学気相成長（CVD）を用いて金属基板上にグラフェンを成長させ、機能化を制御すること。
• 界面における電荷移動およびスピン状態を調整するために、有機金属錯体を設計すること。
• 原子スケールトランジスタおよびスピントロニクス素子のシミュレーションを通じてデバイス性能を評価すること。
• 表面反応性解析を用いて、水素発生反応および燃料電池反応における触媒活性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属原子およびクラスターは、電子的レベルでどのようにグラフェンおよびカーボンナノチューブに結合するか？
• RQ2 金属-グラフェン結合は、高移動度および高周波エレクトロニクスデバイスの実現にどのような役割を果たすか？
• RQ3 有機金属機能化は、ア tomtronicsにおける原子スケール接続を可能にするか？
• RQ4 金属被覆は、カーボンナノ構造におけるスピン輸送および磁気的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ5 これらの系における光触媒的水分解および水素化反応の触媒効率を規定する主な要因は何か？

主な発見

• 金属原子およびクラスターは、強い共有結合および電荷移動相互作用を通じて、グラフェンおよびSWNTsと安定な有機金属錯体を形成する。
• 金属被覆グラフェンは、電子移動度が向上しており、高性能トランジスタへの応用が可能であることが示された。
• 金属-グラフェン界面はスピン極化輸送を可能にし、スピントロニクスデバイスへの応用可能性を示している。
• 機能化されたグラフェン表面は、水素発生反応および燃料電池反応に対して高い触媒活性を示した。
• 金属上にCVD法で成長させたグラフェンは、非対称的機能化の有効なテンプレートであり、超薄膜ジャヌス型構造の作成が可能である。
• 理論的モデリングにより、金属被覆層の堆積がグラフェンのバンド構造に顕著な変化を引き起こすことが確認された。