氟化石墨烯:世界上最薄的绝缘体

今年的诺贝尔物理奖得主们将石墨烯和特氟龙的优异性能结合到了一种新型材料上。

在12月5日之前,您可以通过这里免费阅读与这篇新闻相关的科技论文原文!

就职于英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的Kostya Novoselov和Andre Geim在2004年首先分离出了石墨烯。可以想象,作为被授予了诺贝尔奖的工作,尽管研究者们只是使用普通胶带去一层一层地分离表面,这仍然是一份非常复杂的工作。他们发现石墨烯是碳的最薄且最坚固的形态,而且石墨烯的导热性比其他任何已知的材料都要好。同时,石墨烯有着与铜类似的导电性。他们最新的尝试是一种与普通的石墨烯一样坚固,但比石墨烯更为稳定的石墨烯衍生物。这种衍生物并不导电:这就是所谓的氟化石墨烯。

石墨烯是石墨的一层单原子层,而石墨这种材料我们通常可以在铅笔中找到。在分子尺度上,石墨烯具有蜂巢结构—每个六边形的顶点由碳原子相连。而电子云则贯穿相邻的上下层面,这也解释了为什么这种材料的导电性能如此之好。

Manchester的这个小组正与国际上的其他同事紧密合作着,他们目前的主要成果是在每一个碳原子旁引入一个氟原子,这样可以破坏电子云的分布从而阻止通常条件下电流的形成。但这样做并不破坏整个碳框架的完整性(如图所示)。在之前的工作中,他们曾经向石墨烯中加入氢原子,但发现所得到的材料在高温下并不稳定。

这个最近的突破发表在这一周的Small杂志上。文章的通讯作者Rahul Raveendran-Nair是曼彻斯特大学(University of Manchester)的一名研究生。他对氟化石墨烯做出了如下描述“可能是最薄的绝缘体,通过在石墨烯的每一个碳原子周围增加一个氟原子制成。它是石墨烯的第一个化学当量的衍生物,而且是一个宽带隙半导体。氟化石墨烯是一个机械性能、化学稳定性和热稳定性都很好的化合物。这种新材料的性能与特氟龙非常相似,所以我们称它为二维特氟龙。”

开发一种合适的方法来制备这种二维特氟龙并非易事。“氟是一种高活性的元素,它可以与几乎所有的物质发生反应。所以主要的挑战是如何完全地氟化石墨烯,同时又不破坏石墨烯和支撑石墨烯的基底。我们将单层石墨烯附着在化学惰性的栅格和块状石墨烯纸上面,并在特定高温下氟化这些单层石墨烯薄膜。这种方法使我们克服了技术上的困难,” Raveendran-Nair解释道。

文章的作者们设想氟化石墨烯将会被用于电子元件中,但同时也承认“着眼于实际应用中,氟化石墨烯的电子性能还需要进一步提高。我们希望这可以在短期内实现。氟化石墨烯的一些可能的应用包括隧道势垒材料、高效绝缘材料或者有机电子器件的势垒材料。”其他领域的应用也不无可能。比如,作为对可见光完全透明的宽能隙半导体材料,氟化石墨烯或许可以被用于发光二极管(LED)和显示器材中。

Manchester的这个小组并不是整个项目的唯一承担者,来自中国(沈阳材料科学国家实验室),荷兰(Radboud University of Nijmegen),波兰(Institute of Electronic Materials Technology),和俄罗斯(Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry)的合作者更加强了他们的科研实力。据Raveendran-Nair说,如此强大的团队使他们得以更全面的研究氟化石墨烯;“这个项目的成功离不开所有人的辛勤工作。我们使用了大量的表征手段,非常详尽地研究这个新材料的各方面性能。”

由于这个项目的成功,两个项目领导人获得了诺贝尔奖,但是显然他们在小组中的工作并没有受到多大的影响。“尽管生活更加忙碌,两位教授仍然与组里的工作人员们密切合作,而且直接参与每天的研究工作”,Raveendran-Nair说道。“与他们工作非常有启发性。在这里做研究让人感到非常的享受和有意义。”

Nair et al., Small ; DOI: 10.1002/smll.201001555