[논문 리뷰] Fluorographene: mechanically strong and thermally stable two-dimensional wide-gap semiconductor

Rahul R. Nair, Wencai Ren외 17명|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 15.

Graphene research and applications참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 각 탄소 원자가 한 개의 플루오르인 원자와 결합하는 스토이키오메트릭인 2차원 탄소 동소질체인 플루오르그래핀을 소개한다. 이 물질은 뛰어난 기계적 강도(유연율 모odulus 100 N/m, 15% 균열 변형율 내성), 공기 중에서 400 °C까지의 열적 안정성, 그리고 3 eV의 광학 밴드 갭과 10¹² Ω·sq를 초과하는 전기 저항율을 지닌 넓은 밴드 갭 반도체로서, 테플론과 유사한 내구성 있는 절연체이자 기계적으로 강한 2차원 물질이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스토이키오메트릭이며 완전히 플루오르화된 그래핀 衍생체를 개발하여 열적 및 화학적 안정성을 향상시키는 것.
• 비스토이키오메트릭인 그래핀 衍생체와 비교하여 플루오르그래핀의 기계적, 전자적 및 광학적 성질을 조사하는 것.
• 나노스케일 전자 및 보호적 응용 분야에서 고성능 광역 밴드 갭 절연체로서의 잠재력을 평가하는 것.
• 대기 조건 하에서의 열적 안정성과 전기 저항율을 측정하는 것.

제안 방법

• 그래핀의 제어된 플루오르화를 통해 스토이키오메트릭 플루오르그래핀을 합성하여 탄소 원자당 한 개의 플루오르인 원자가 결합하도록 보장하는 것.
• 플루오르화된 격자 내의 구조적 정합도와 결함 농도를 평가하기 위해 라만 스펙트로스코피를 사용하는 것.
• 광학 밴드 갭을 결정하기 위해 광선 투과도 및 반사도 측정을 수행하는 것.
• 미세기계적 분리 및 인장 시험을 통해 유연율 모odulus(100 N/m)와 파손 변형률(15%)을 측정하는 것.
• 4점 프로브 저항 측정을 통해 전기 저항율(>10¹² Ω·sq)을 정량화하는 것.
• 열중량 분석 및 열기계적 분석을 통해 공기 중에서 400 °C까지의 열적 안정성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스토이키오메트릭 플루오르화는 그래핀의 기계적 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 완전히 플루오르화된 그래핀의 전기 저항율과 밴드 갭은 무엇인가?
• RQ3 플루오르그래핀은 대기 조건과 고온에서 얼마나 안정한가?
• RQ4 비스토이키오메트릭 플루오르화된 그래핀 衍생체와 비교할 때 플루오르그래핀의 구조적 및 전자적 성질은 어떻게 다른가?
• RQ5 고온에서 공기 중에 노출된 후 플루오르그래핀은 절연성과 구조적 특성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 플루오르그래핀은 100 N/m의 유연율 모odulus를 나타내어 그래핀의 뛰어난 기계적 강도를 유지하고 있음을 확인하였다.
• 재료는 파손 전까지 최대 15%의 탄성 변형을 견뎌내어 2차원 절연체로서 높은 연성임을 시사한다.
• 플루오르그래핀은 3 eV의 광학 밴드 갭을 지녀 넓은 밴드 갭 반도체로 분류된다.
• 전기 저항율이 10¹² Ω·sq를 초과하여 고품질 절연 거동임을 확인하였다.
• 재료는 테플론(Polytetrafluoroethylene)과 유사하게 공기 중에서 400 °C까지 화학적으로 관성 있고 열적으로 안정하다.
• 라만 및 구조 분석 결과 플루오르그래핀은 비스토이키오메트릭 플루오르그래핀 衍생체와 정량적으로 다름을 확인하였다.