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 グラフィン-1の化学構造
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特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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グラフィンは炭素の同素体です。理論モデルでは研究されていますが、合成が非常に難しく、純度も不明な少量しか作られていません。その構造は、結晶格子に配置されたsp およびsp 2結合炭素原子の 1 原子厚の平面シートです。アセチレン結合で接続されたベンゼン環の格子として見ることができます。ベンゼン環がn個の連続したアセチレン分子で接続されている場合、この物質はグラフィン-n と呼ばれ、 n = 2 (ジアセチレン結合)の特定のケースではグラフジインと呼ばれます。
アセチレン基の含有量に応じて、グラフェンは混合混成sp k（kは1または2）と見なすことができ、[1] [2]そのため、グラフェン（純粋なsp 2と見なす）とダイヤモンド（純粋なsp 3 ）の混成とは異なります。
第一原理計算により、周期的グラフィン構造とその窒化ホウ素類似体は安定であることが示された。計算では、フォノン分散曲線と第一原理有限温度、量子力学的分子動力学シミュレーションが使用された。[3]
歴史
グラフィンは、1987年にBaughmanらによって初めて理論的に提案されました。[4] 2010年に、Liらは、ヘキサエチニルベンゼンとのGlaser-Hayクロスカップリング反応を使用して、グラフジインフィルムを作成するための最初の成功した方法論を開発しました。[5]提案されたアプローチにより、長距離秩序を欠くナノメートルスケールのグラフジインとグラフテトラインを合成することが可能になりました。 2019年に、Cuiと同僚は、ベンゼンと炭化カルシウムを使用してグラフィンを得るための機械化学技術を報告しました。[6]このアプローチを使用してグラムスケールのグラフィンを得ることができますが、大面積にわたって長距離結晶性を備えたグラフィンは依然として実現されていません。
2022年には、薗頭カップリング条件下で1,3,5-トリブロモ-2,4,6-トリエチニルベンゼンを重合することにより、多層γ-グラフィンの合成に成功した。この材料の近赤外分光法とサイクリックボルタンメトリーにより、バンドギャップは0.48 ± 0.05 eVと決定され、これはグラフィンベースの材料の理論的予測と一致している。[7] : 4 [8]
合成
さまざまなアプローチによる数多くの努力にもかかわらず、高品質のグラフィンを合成する方法は発見されていません。これまでに生成された少量の不純物質では、理論的な特性を検証するのに十分な特性評価を行うことができません。[7] : 12
構造
コンピュータモデルの使用を通じて、科学者は、格子の想定形状における物質のいくつかの特性を予測した。提案された構造は、グラフェン格子の炭素-炭素単結合の代わりにアセチレン結合を挿入することで得られる。 [9]グラフィンは、複数の形状で存在すると理論化されている。この多様性は、spおよびsp 2混成炭素の複数の配置によるものである。提案された形状には、六角格子構造と長方形格子構造が含まれる。[10]理論化された構造のうち、6,6,12-グラフィンの長方形格子は、将来の応用において最も可能性を秘めている可能性がある。
プロパティ
モデルによれば、グラフィンは二重結合および三重結合した炭素原子上にディラックコーンを形成する可能性があると予測されている。 [要出典]ディラックコーンにより、伝導帯と価電子帯はフェルミ準位の一点で直線的に交わる。この方式の利点は、電子が質量を持たないかのように振る舞い、エネルギーが電子の運動量に比例することである。グラフェンと同様に、六方晶グラフィンは方向に依存しない電気的特性を持つ。しかし、提案されている長方形の6,6,12-グラフィンの対称性により、電気的特性は材料の平面内で異なる方向に沿って変化する。[10]この対称性のユニークな特徴により、グラフィンは自己ドーピングが可能になり、フェルミ準位のわずかに上と下に2つの異なるディラックコーンが形成される。[10] 6,6,12-グラフィンの自己ドーピング効果は、面内外部ひずみを適用することで効果的に調整できる。[11] これまでに合成されたグラフィンサンプルは、融点が250～300℃で、酸素、熱、光による分解反応の反応性が低いことが示されています。[9]
潜在的な用途
グラフィンは、その特殊なエネルギー構造、すなわち方向依存ディラックコーンのため、特定の用途ではグラフェンよりも好ましいと仮説が立てられている。[12] [13] 6,6,12-グラフィンの方向依存性により、ナノスケールでの電気格子形成が可能になる可能性がある。 [14]これにより、より高速なトランジスタやナノスケール電子デバイスの開発につながる可能性がある。[10] [15] [16]最近、電子供与パートナーからγ-グラフィンへの光誘起電子移動が好ましく、ナノからピコ秒未満の時間スケールで起こることが実証された。[17]
参考文献
- ^ Heimann, RB; Evsvukov, SE; Koga, Y. (1997). 「炭素同素体：原子価軌道混成に基づく分類法の提案」Carbon . 35 (10–11): 1654–1658. doi :10.1016/S0008-6223(97)82794-7.
- ^ エンヤシン、アンドレイ N.;イワノフスキー、アレクサンダー L. (2011)。 「グラフェン同素体」。フィジカ ステータス ソリッド B。248 (8): 1879 ～ 1883 年。ビブコード:2011PSSBR.248.1879E。土井：10.1002/pssb.201046583。S2CID 125591804。
- ^ Özçelik, V. Ongun; Ciraci, S. (2013 年 1 月 10 日). 「α-グラフィンとその窒化ホウ素類似体の安定性と電子特性におけるサイズ依存性」. The Journal of Physical Chemistry C . 117 (5): 2175–2182. arXiv : 1301.2593 . doi :10.1021/jp3111869. S2CID 44136901.
- ^ Baughman, RH; Eckhardt, H.; Kertesz, M. (1987). 「炭素の新しい平面形態の構造‐特性予測: sp2 および sp 原子を含む層状相」. The Journal of Chemical Physics . 87 (11): 6687–6699. Bibcode :1987JChPh..87.6687B. doi :10.1063/1.453405.
- ^ リー、G.リー、Y。ルイ、H.郭、Y。リー、Y。朱D. (2010)。 「グラフディインナノスケールフィルムのアーキテクチャ」。化学コミュニケーション。46 (19): 3256–3258。土井：10.1039/B922733D。PMID 20442882。
- ^ Li, Q.; Yang, C.; Wu, L.; Wang, H.; Cui, X. (2019). 「ベンゼンのγ-グラフィンへの変換とそれによる電気化学的酸素発生性能の向上」。Journal of Materials Chemistry A . 7 (11): 5981–5990. doi :10.1039/C8TA10317H. S2CID 104431102.
- ^ ab Li, Jiaqiang; Han, Yu (2023-03-01). 「人工炭素同素体γ-グラフィン：合成、特性、および応用」. Giant . 13 :100140. doi : 10.1016/j.giant.2023.100140 . ISSN 2666-5425.
- ^ Desyatkin, VG; Martin, WB; Aliev, AE; Chapman, NE; Fonseca, AF; Galvão, DS; Miller, ER; Stone, KH; Wang, Z.; Zakhidov, D.; Limpoco, FT; Almahdali, SR; Parker, SM; Baughman, RH; Rodionov, VO (2022). 「小さな直接バンドギャップを持つ新しい炭素結晶、多層γ-Graphyneのスケーラブルな合成と特性評価」。アメリカ化学会誌。144 ( 39 ) : 17999–18008。arXiv : 2301.05291。doi : 10.1021 /jacs.2c06583 。PMID 36130080。S2CID 252438218 。
- ^ ab Kim, Bog G.; Choi, Hyoung Joon (2012). 「Graphyne: 多用途ディラックコーンを備えた炭素の六角形ネットワーク」. Physical Review B. 86 ( 11): 115435. arXiv : 1112.2932 . Bibcode :2012PhRvB..86k5435K. doi :10.1103/PhysRevB.86.115435. S2CID 119288235.
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- ^ Wang, Gaoxue; Si, Mingsu; Kumar, Ashok; Pandey, Ravindra (2014 年 5 月 26 日). 「グラフィネにおけるディラックコーンのひずみエンジニアリング」.応用物理学レター. 104 (21): 213107. Bibcode :2014ApPhL.104u3107W. doi :10.1063/1.4880635.
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- ^ バルダン、デブジョティ (2012 年 3 月 2 日)。 「斬新な新素材グラフェンはグラフェンの強力な競争相手になる可能性がある。」techie-buzz.com。
- ^ Cartwright, J. (2012年3月1日). 「Graphyneはグラフェンよりも優れている可能性がある」news.sciencemag.org . 2012年10月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「グラフィンはグラフェンよりも優れているか?」。Materials Today。2012年3月5日。
- ^ Stasyuk, OA; Stasyuk, AJ; Solà, M.; Voityuk, AA (2022). 「γ-グラフィン：有機太陽光発電用の有望な電子受容体」. Materials & Design . 225 : 111526. doi :10.1016/j.matdes.2022.111526. hdl : 10256/22532 . S2CID 254961210.
外部リンク
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