Fluorographene:Verdens tyndeste isolator

(PhysOrg.com) -- De bemærkelsesværdige egenskaber ved grafen og teflon er blevet kombineret i et nyt materiale af vinderne af dette års Nobelpris i fysik.

Kostya Novoselov og Andre Geim, arbejder på University of Manchester, Storbritannien, første isolerede grafen i 2004. Det var en vanskelig opgave, som man kunne forvente, hvis en Nobelpris er blandt belønningerne, selvom det indebar at bruge ydmyg klæbende tape til at pille overflader væk et lag ad gangen. De fandt, at grafen var den tyndeste og stærkeste form for kulstof, og at det kunne lede varme bedre end noget andet kendt materiale. Som en leder af elektricitet, den klarer sig lige så godt som kobber. Deres seneste bestræbelser har ført til et nyt afledt materiale, der er lige så stærkt og endnu mere stabilt end det originale grafen, men det leder slet ikke elektricitet:såkaldt fluorographene.

Grafen i sig selv er et enkelt atomlag af materialet grafit, almindeligvis fundet i blyanter. På molekylært niveau, det har en flad bikagestruktur, der forbinder sekskanter med carbonatomer ved hjørnerne. Skyer af elektroner spredt over top- og bundfladen, derfor leder materialet elektricitet så godt.

Manchester-gruppens nuværende præstation, i tæt samarbejde med internationale samarbejdspartnere, er at placere et fluoratom ved hvert enkelt kulstofatom, derved ødelægger elektronskyen og forhindrer elektricitet i at flyde under normale forhold, men det påvirker ikke kulstoframmens strukturelle integritet. I tidligere arbejde, de havde tilføjet brintatomer i stedet for fluor, men fandt, at det resulterende materiale var ustabilt ved høje temperaturer.

Det seneste gennembrud er offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Lille . Rahul Raveendran-Nair er en postgraduate forsker ved University of Manchester og ansvarlig for publikationen. Han beskriver fluorografen som "den tyndest mulige isolator, lavet ved at binde fluoratomer til hvert af kulstofatomerne i grafen. Det er det første støkiometriske kemiske derivat af grafen, og det er en halvleder med brede mellemrum. Fluorografen er en mekanisk stærk og kemisk og termisk stabil forbindelse. Egenskaberne for dette nye materiale ligner meget teflon, og vi kalder dette materiale 2D Teflon."

Det var ikke nemt at udvikle en passende metode til at lave denne 2D Teflon. "Fluor er et meget reaktivt grundstof, og den reagerer med det meste. Så den største udfordring var at fluorere grafen fuldt ud uden at beskadige grafenen og dens understøttende substrater. Vores fluorering af enkeltlags grafenmembraner på kemisk inert støttegitter og bulkgrafenpapir ved forhøjet temperatur overvinder dette tekniske problem, ” forklarer Raveendran-Nair.

Forfatterne forestiller sig, at fluorografen vil blive brugt i elektronik, men anerkender, at "for realistiske elektroniske applikationer skal den elektroniske kvalitet forbedres. Vi håber, at dette kan opnås meget snart. Nogle mulige elektroniske anvendelser af fluorografen er dets anvendelse som en tunnelbarriere og som en højkvalitets isolator eller barrieremateriale til organisk elektronik.” Andre anvendelsesområder er også mulige. For eksempel, som en halvleder med brede mellemrum, der er fuldstændig gennemsigtig for synligt lys, fluorographene kunne godt finde anvendelse i LED'er (lysemitterende dioder) og skærme.

Manchester-gruppen var ikke den eneste involveret, og samarbejdspartnere fra Kina (Shenyang National Laboratory for Materials Science), Holland (Radboud University of Nijmegen), Polen (Institute of Electronic Materials Technology), og Rusland (Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry) tilføjede deres ekspertise. Ifølge Raveendran-Nair, at have et så stort hold hjalp med at foretage en grundig undersøgelse af fluorografen; "Vi har alle arbejdet meget hårdt for at få dette projekt til at lykkes. Vi brugte en lang række karakteriseringsteknikker og meget detaljerede undersøgelser for at forstå egenskaberne af dette nye materiale."

I løbet af projektet blev lederne udnævnt til Nobelpristagere, men tilsyneladende har livet i gruppen ikke ændret sig ret meget. "Selv i deres nye travle liv arbejder begge professorer stadig meget tæt sammen med alle dem i gruppen og er meget involveret i den daglige forskning", siger Raveendran-Nair. "At arbejde under dem er en stor inspiration. Det er både et givende og underholdende sted at forske."