[论文解读] 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 5

一句话总结

本文介绍了氟化石墨烯（fluorographene），一种化学计量比的二维碳同素异形体，其中每个碳原子与一个氟原子成键。它表现出卓越的机械强度（杨氏模量为100 N/m，可承受15%的应变），在空气中热稳定性可达400 °C，并作为宽带隙半导体，具有3 eV的光学带隙和超过10¹² Ω·sq的电阻率，使其成为一种坚固、绝缘且机械强度高的二维材料，类似于特氟龙（Teflon）。

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.

研究动机与目标

• 开发一种化学计量比、完全氟化的石墨烯衍生物，以提升其热稳定性和化学稳定性。
• 研究氟化石墨烯与非化学计量比石墨烯衍生物相比的机械、电子和光学性能。
• 评估其作为高性能宽带隙绝缘体在纳米尺度电子和防护应用中的潜力。
• 确定氟化石墨烯在常温常压下的热稳定性和电阻率。

提出的方法

• 通过控制石墨烯的氟化反应合成化学计量比的氟化石墨烯，确保每个碳原子对应一个氟原子。
• 利用拉曼光谱评估氟化晶格的结构完整性和缺陷密度。
• 通过光学透射率和反射率测量确定其3 eV的光学带隙。
• 通过微机械剥离和拉伸测试测量杨氏模量（100 N/m）和断裂应变（15%）。
• 采用四探针电阻率测量量化电阻率（>10¹² Ω·sq）。
• 通过热重分析和热机械分析评估其在空气中最高达400 °C的热稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 化学计量比氟化如何影响石墨烯的机械强度？
• RQ2 完全氟化石墨烯的电阻率和带隙是多少？
• RQ3 氟化石墨烯在常温常压及高温下的稳定性如何？
• RQ4 与非化学计量比氟化石墨烯衍生物相比，氟化石墨烯在结构和电子性质方面有何差异？
• RQ5 氟化石墨烯在高温空气中暴露后是否仍能保持其绝缘性和结构特性？

主要发现

• 氟化石墨烯的杨氏模量为100 N/m，证实其保留了石墨烯卓越的机械强度。
• 该材料在断裂前可承受高达15%的弹性应变，表明其作为二维绝缘体具有较高的延展性。
• 氟化石墨烯具有3 eV的光学带隙，被归类为宽带隙半导体。
• 其电阻率超过10¹² Ω·sq，证实其具有高质量的绝缘行为。
• 该材料在空气中最高达400 °C的温度下仍保持化学惰性和热稳定性，与聚四氟乙烯（Teflon）相当。
• 拉曼光谱和结构研究表明，氟化石墨烯在定性上与非化学计量比氟化石墨烯衍生物明显不同。