[논문 리뷰] 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)|2014. 09. 18.

Graphene research and applications참고 문헌 84인용 수 47

한 줄 요약

이 논문은 금속 원자/클러스터와 그래핀/탄소 나노튜브 간의 전자적 및 화학적 상호작용을 탐구하며, 이들이 애터모트로닉스, 스피너트로닉스, 고이동도 트랜지스터, 에너지 변환 촉매에서의 잠재력을 보여준다. 특히 유기금속 기반 기능화가 그래핀 기반 장치의 전자적 성질과 촉매 활성을 향상시키는 길임을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 금속-그래핀 인터페이스에서의 기본 전자 구조 및 화학 결합을 이해하기 위해.
• 유기금속 복합체가 차세대 전자기기 및 에너지 변환 장치를 가능하게 하는 잠재력을 탐색하기 위해.
• CVD로 증착된 그래핀이 비대칭 기능화의 템플릿으로서의 역할을 조사하기 위해.
• 금속으로 코팅된 탄소 나노구조가 고주파 및 고이동도 전자기기에서의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 촉매 및 스피너트로닉스 분야에서 금속-그래핀 시스템의 실용적 응용 개발에 있어 도전 과제와 기회를 규명하기 위해.

제안 방법

• 그래핀과 단일벽 탄소 나노튜브(SWNTs)에 대한 금속 첨가 원자 및 클러스터에 대한 이론적 및 실험적 연구를 수행하였다.
• 밀도함수이론(DFT)과 광학 스펙트로스코피 기법을 활용하여 전자 구조를 분석하고 금속-그래핀 상호작용을 탐구하였다.
• 제어된 기능화를 위해 금속 기초상에 CVD를 이용하여 그래핀을 증착하였다.
• 인터페이스에서 전하 이동 및 스핀 상태를 조절하기 위해 유기금속 복합체를 설계하였다.
• 원자 스케일 트랜지스터 및 스피너트로닉스 구성 요소의 시뮬레이션을 통해 장치 성능을 평가하였다.
• 표면 반응성 분 析를 통해 수소 기체 발생 반응 및 연료 전지 반응에서의 촉매 활성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 원자 및 클러스터가 전자 수준에서 그래핀과 탄소 나노튜브에 어떻게 결합하는가?
• RQ2 금속-그래핀 결합이 고이동도 및 고주파 전자기기의 구현에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 유기금속 기능화가 애터모트로닉스에서 원자 스케일 인터커넥트를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 금속 코팅이 탄소 나노구조에서 스핀 운반 및 자기적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 시스템에서 광촉매 수소 분해 및 수소화 반응의 촉매 효율을 결정짓는 주요 요인는 무엇인가?

주요 결과

• 금속 원자 및 클러스터는 강한 공유결합 및 전하 이동 상호작용을 통해 그래핀 및 SWNTs와 안정적인 유기금속 복합체를 형성한다.
• 금속으로 코팅된 그래핀은 전자 이동도가 향상되어 고성능 트랜지스터에 적합함을 보였다.
• 금속-그래핀 인터페이스는 스핀 편극 운반을 가능하게 하여 스피너트로닉스 장치의 잠재력을 시사한다.
• 기능화된 그래핀 표면는 수소 기체 발생 반응 및 연료 전지 반응에서 높은 촉매 활성을 보였다.
• 금속 기초상에 CVD로 증착된 그래핀은 비대칭 기능화의 효과적인 템플릿으로 기능하며 초박편한 재료형 구조를 가능하게 한다.
• 이론적 모델링은 금속 상층막의 증착이 그래핀의 밴드 구조에 상당한 변화를 유도함을 확인하였다.