[論文レビュー] GraphAne: From Synthesis to Applications

Hasan Şahin, O. Leenaerts+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

Graphene research and applications参考文献 100被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、グラフェンの水素化誘導体であるグラファーンについて、合成法、構造的・電子的性質、応用可能性を網羅的にレビューしている。グラファーンの直接的なバンドギャップ、絶縁性、および水素化による特性のチューニング可能性に注目し、強固なC–H結合と可逆的機能化の特徴から、水素貯蔵、圧電性、熱電効果、センシング分野における応用可能性が示されている。

ABSTRACT

Atomically thin crystals have recently been the focus of attention in particular after the synthesis of graphene, a monolayer hexagonal crystal structure of carbon. In this novel material class the chemically derived graphenes have attracted tremendous interest. It was shown that although bulk graphite is a chemically inert material, the surface of single layer graphene is rather reactive against individual atoms. So far, synthesis of several graphene derivatives have been reported such as hydrogenated graphene "graphane" (CH), fluorographene (CF) and chlorographene (CCl). Moreover, the stability of bromine and iodine covered graphene were predicted using computational tools. Among these derivatives, easy synthesis, insulating electronic behavior and reversibly tunable crystal structure of graphane make this material special for future ultra-thin device applications. This overview, surveys structural, electronic, magnetic, vibrational and mechanical properties of graphane. We also present a detailed overview of research efforts devoted to the computational modeling of graphane and its derivatives. Furthermore recent progress in synthesis techniques and possible applications of graphane are reviewed as well.

研究の動機と目的

• プラズマ露光、熱的剥離、STM支援水素化を含む、グラファーンの合成技術を体系的にレビューすること。
• 計算モデルを用いて、グラファーンおよびその誘導体の構造的・電子的・磁気的・振動的・機械的性質を分析すること。
• 水素貯蔵、熱電効果、圧電デバイス、バイオスセンサーなどの実用的応用におけるグラファーンの可能性を評価すること。
• 特にチェア型およびトライサイクル型の異性体について、さまざまな機能化条件下での安定性とチューナビリティを同定すること。
• 水素化がグラフェンの電子的性質をどのように制御するか、特にバンドギャップの開口と絶縁性の発現における役割を評価すること。

提案手法

• グラファーンおよびその異性体の電子的・構造的性質をモデル化するために、密度汎関数理論（DFT）およびab initio計算を用いた。
• 層間摩擦および臨界剛性を評価するため、Prandtl-Tomlinsonモデルとab initio手法を組み合わせた。
• ハロゲン化グラファーン（例：C2HF、C2HCl）における圧電性を調査するため、第一原理計算を適用し、対称性の破れおよびF原子周辺の電子再配分に注目した。
• DFTを用いて電子的および熱的輸送特性を計算し、不規則なアーマーチャー型グラファーンナノリブの熱電性能を評価した。
• TNTおよびCO2のセンシング能力を評価するため、電気化学的および吸着実験を実施し、H2Oとの共吸着効果も含めた。
• 実験的および計算的文献をレビューし、さまざまなグラファーン異性体（例：チェア型、ボート型、スティルラップ型、トライサイクル型）の安定性およびエネルギー準位を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファーンの最も安定した構造的形態は何か？ また、異なる計算研究における相対的エネルギーはどのように比較されるか？
• RQ2 グラフェンの水素化がどのように直接的なバンドギャップを誘導し、絶縁体に転移させるのか？ また、C–H結合形成の役割は何か？
• RQ3 水素化度、応力、バナディティ、次元削減によって、グラファーンの電子的および機械的性質はどの程度チューニング可能か？
• RQ4 グラファーンに高い水素貯蔵容量を実現するメカニズムは何か？ また、Liの吸着がこの容量をどのように向上させるか？
• RQ5 グラファーンを基にした材料が圧電性を示すことは可能か？ どのような原子配置がこの効果を最大にするか？

主な発見

• グラファーンのチェア型異性体が最も安定で、単位セルあたりの相対的エネルギーは0.000 eVである。非チェア型の中で最も安定なのはトライサイクル型で、0.024 eVである。
• グラファーンは共有結合によるC–H結合のおかげで直接的なバンドギャップを示し、グラフェンを半金属から広帯ギャップ絶縁体に変換する。
• Liが各H原子に吸着すると、グラファーンの水素貯蔵容量は最大で12 wt%に達し、米国エネルギー省2017年の目標を上回る。
• ハロゲン化グラファーン（例：C2HF）は、反転対称性の破れとF原子周辺の電子再配分のおかげで強い圧電性を示し、C2HFは最も安定かつ圧電性が強い構造である。
• 不規則なアーマーチャー型グラファーンナノリブは、低い熱伝導率と良好な電気伝導性のおかげで高い熱電効率を示し、熱電デバイスに有望である。
• 塩水中では、より大きな芳香族環がアナリットの前濃縮を促進するため、グラフェンはグラファーンを上回るTNT検出性能を示すが、グラファーンはドーパミンや尿酸などのバイオマーカーに対して明確な電気化学的応答を示す。