氟代石墨烯:世界最薄的绝缘体


  性能卓越的石墨烯(graphene)和聚四氟乙烯(Teflon)被融合在一种新材料中,研制者是今年诺贝尔物理学奖得主。

  考斯特·诺沃塞罗夫(Novoselov)和安德烈·盖姆(Andre Geim)都在英国曼彻斯特大学工作,他们首次分离出石墨烯是在2004年。这是一项复杂的工作,就像人们预期的,诺贝尔奖也成了一个回报,它确实要使用粗胶带,一次剥离表面一层。他们发现,石墨烯是最薄和强形态的碳,而且导热性好过其他任何已知的材料。作为一种电导体,它的性能很好,就像铜。他们最近的努力,制成了一种新的衍生材料,硬度相同,而且稳定性超过了原来的石墨烯,但完全不导电,这就是所谓的氟代石墨烯(fluorographene)。

  石墨烯本身是一种单原子层的石墨材料,通常看到的,是用在铅笔上。在分子水平上,它有一种平坦的蜂窝状结构,连接成六边形的碳原子就处在顶点。云状的电子传遍上下表面,这就是为什么这种材料导电性那么好。

  目前的这项成就是属于曼彻斯特大学的一个团体,这个团体紧密携手国际合作者,他们的成就,就是把一个氟原子放在每一个单独的碳原子上,这样就消除了电子云,也会防止电流的常态流动,但不影响结构上完整的碳架构。在以前的工作中,他们放的是氢原子而不是氟原子,但发现生成的材料在高温下不稳定。

  最新的突破发表在本周的《小》(Small)杂志上。拉胡尔·拉韦德兰-耐尔(Rahul Raveendran-Nair)是曼彻斯特大学的研究生,负责该文发表。他描述,氟代石墨烯是“最薄的绝缘体,制备方法是把氟原子安装到石墨烯中的每一个碳原子上。它是世界上第一个用化学计量方法制成的石墨烯衍生化合物,也是一个宽禁带(wide-gap)半导体器件。氟代石墨烯是一种机械性强硬,化学和热学性能稳定的化合物。这种新材料性能非常类似聚四氟乙烯(Teflon),我们称之为二维聚四氟乙烯。”

  开发一种合适的方法,来制备这种二维铁氟龙并不简单。“氟是一种高度活跃的元素,它几乎与所有物质起反应。所以,主要的挑战是,要完全氟化石墨烯,而又不能损坏石墨烯和支撑它的基片。我们氟化单层石墨烯膜,基片是化学上呈惰性的支承格栅和很厚的石墨烯纸,是在高温下进行,这就克服了这一技术问题,”拉韦德兰-耐尔说。

  这位作者设想,氟代石墨烯将用于电子产品,但他承认,“对于实际的电子应用而言,它的电子质量必须改进。我们希望,这很快就可以实现。一些可能的电子应用会用氟代石墨烯,就是用作隧道障碍(tunnel barrier),或作为高质量的绝缘体或屏障材料,用于有机电子产品。”其他领域的应用也是可能的。例如,作为一种宽禁带半导体,它对于可见光是完全透明的,氟代石墨烯也可以用于发光二级管和显示器。