KR20150095749A - 그래핀 소재의 에지 할로겐화 - Google Patents
그래핀 소재의 에지 할로겐화 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20150095749A KR20150095749A KR1020157018032A KR20157018032A KR20150095749A KR 20150095749 A KR20150095749 A KR 20150095749A KR 1020157018032 A KR1020157018032 A KR 1020157018032A KR 20157018032 A KR20157018032 A KR 20157018032A KR 20150095749 A KR20150095749 A KR 20150095749A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- graphene
- edge
- halogenated
- halogen
- nanoribbons
- Prior art date
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 285
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 205
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 93
- 238000005658 halogenation reaction Methods 0.000 title abstract description 52
- 230000026030 halogenation Effects 0.000 title description 44
- 239000002074 nanoribbon Substances 0.000 claims abstract description 55
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 54
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 42
- 239000002841 Lewis acid Substances 0.000 claims abstract description 17
- 150000007517 lewis acids Chemical class 0.000 claims abstract description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 17
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 claims description 50
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 claims description 29
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 claims description 16
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 16
- -1 polycyclic aromatic compound Chemical class 0.000 claims description 11
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims description 5
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 claims description 5
- PCLIMKBDDGJMGD-UHFFFAOYSA-N N-bromosuccinimide Chemical compound BrN1C(=O)CCC1=O PCLIMKBDDGJMGD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- JRNVZBWKYDBUCA-UHFFFAOYSA-N N-chlorosuccinimide Chemical compound ClN1C(=O)CCC1=O JRNVZBWKYDBUCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims description 4
- RLOWWWKZYUNIDI-UHFFFAOYSA-N phosphinic chloride Chemical compound ClP=O RLOWWWKZYUNIDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000013086 organic photovoltaic Methods 0.000 claims description 3
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 2
- 125000005462 imide group Chemical group 0.000 claims description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 27
- QGJOPFRUJISHPQ-UHFFFAOYSA-N Carbon disulfide Chemical compound S=C=S QGJOPFRUJISHPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 23
- HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N Chloroform Chemical compound ClC(Cl)Cl HEDRZPFGACZZDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 19
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 16
- 239000002585 base Substances 0.000 description 15
- 239000000047 product Substances 0.000 description 14
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 12
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 8
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 8
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 7
- 238000000935 solvent evaporation Methods 0.000 description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 6
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 6
- VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N n-Hexane Chemical compound CCCCCC VLKZOEOYAKHREP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004574 scanning tunneling microscopy Methods 0.000 description 6
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 5
- 238000004440 column chromatography Methods 0.000 description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 5
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000003480 eluent Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 238000001819 mass spectrum Methods 0.000 description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 5
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000000026 X-ray photoelectron spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 4
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 125000000623 heterocyclic group Chemical group 0.000 description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 4
- 238000005660 chlorination reaction Methods 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 3
- QPFMBZIOSGYJDE-UHFFFAOYSA-N 1,1,2,2-tetrachloroethane Chemical compound ClC(Cl)C(Cl)Cl QPFMBZIOSGYJDE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002703 Al K Inorganic materials 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N Hydrazine Chemical compound NN OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002879 Lewis base Substances 0.000 description 2
- IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N N-Heptane Chemical compound CCCCCCC IMNFDUFMRHMDMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N Pentane Chemical compound CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N chlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=CC=C1 MVPPADPHJFYWMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 150000007527 lewis bases Chemical class 0.000 description 2
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- 238000001840 matrix-assisted laser desorption--ionisation time-of-flight mass spectrometry Methods 0.000 description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 2
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 2
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 125000000999 tert-butyl group Chemical group [H]C([H])([H])C(*)(C([H])([H])[H])C([H])([H])[H] 0.000 description 2
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 125000004400 (C1-C12) alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004209 (C1-C8) alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 1,1-Dichloroethane Chemical compound CC(Cl)Cl SCYULBFZEHDVBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OCJBOOLMMGQPQU-UHFFFAOYSA-N 1,4-dichlorobenzene Chemical compound ClC1=CC=C(Cl)C=C1 OCJBOOLMMGQPQU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001644 13C nuclear magnetic resonance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005160 1H NMR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 125000002373 5 membered heterocyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004070 6 membered heterocyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 229910014265 BrCl Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JZUFKLXOESDKRF-UHFFFAOYSA-N Chlorothiazide Chemical compound C1=C(Cl)C(S(=O)(=O)N)=CC2=C1NCNS2(=O)=O JZUFKLXOESDKRF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N Cyclohexane Chemical compound C1CCCCC1 XDTMQSROBMDMFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000007259 addition reaction Methods 0.000 description 1
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- CODNYICXDISAEA-UHFFFAOYSA-N bromine monochloride Chemical compound BrCl CODNYICXDISAEA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZSDOPNNDSALDGR-UHFFFAOYSA-N c(ccc1c2cc3)cc1c(ccc1c45)c4c2c2c3c3ccc(c4ccccc44)c6c3c3c2c5c2c5c3c3c6c4ccc3c(cc3)c5c4c3c(cccc3)c3c3ccc1c2c43 Chemical compound c(ccc1c2cc3)cc1c(ccc1c45)c4c2c2c3c3ccc(c4ccccc44)c6c3c3c2c5c2c5c3c3c6c4ccc3c(cc3)c5c4c3c(cccc3)c3c3ccc1c2c43 ZSDOPNNDSALDGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 125000001309 chloro group Chemical group Cl* 0.000 description 1
- KYKAJFCTULSVSH-UHFFFAOYSA-N chloro(fluoro)methane Chemical compound F[C]Cl KYKAJFCTULSVSH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 229940117389 dichlorobenzene Drugs 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N fluoromethane Chemical compound FC NBVXSUQYWXRMNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000002140 halogenating effect Effects 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 239000012456 homogeneous solution Substances 0.000 description 1
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 229960002003 hydrochlorothiazide Drugs 0.000 description 1
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 1
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 210000004185 liver Anatomy 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N octane Chemical compound CCCCCCCC TVMXDCGIABBOFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000012429 reaction media Substances 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
- H01L29/1606—Graphene
-
- C01B31/0484—
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
- H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
- H01B1/04—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of carbon-silicon compounds, carbon or silicon
-
- C01B31/0476—
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/184—Preparation
- C01B32/19—Preparation by exfoliation
- C01B32/192—Preparation by exfoliation starting from graphitic oxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
- C01B32/15—Nano-sized carbon materials
- C01B32/182—Graphene
- C01B32/194—After-treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C07—ORGANIC CHEMISTRY
- C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
- C07C17/00—Preparation of halogenated hydrocarbons
- C07C17/013—Preparation of halogenated hydrocarbons by addition of halogens
- C07C17/02—Preparation of halogenated hydrocarbons by addition of halogens to unsaturated hydrocarbons
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
- Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)
Abstract
본 발명은 그래핀 소재의 에지-할로겐화 방법으로서; 그래핀, 그래핀 나노리본, 그래핀 분자 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 그래핀 소재를, 루이스 산의 존재 하에서 할로겐-공여체 화합물과 반응시켜, 에지-할로겐화된 그래핀 소재를 수득하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 그래핀 (graphene) 소재의 에지-할로겐화 (edge-halogenation) 방법으로서; 그래핀, 그래핀 나노리본, 그래핀 분자 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 그래핀 소재를, 루이스 산의 존재 하에서 할로겐-공여체 화합물과 반응시켜, 에지-할로겐화된 그래핀 소재를 수득하는 방법에 관한 것이다.
그래핀은 장거리 π-접합을 갖는 sp2-혼성화 탄소의 2차원 시트로서, 이는 뛰어난 열적, 기계적 및 전자적 특성을 유도한다. 그래핀 소재의 물리적 및 화학적 특성을 조작하기 위한, 화학적 관능화가 큰 관심사이다.
이론적으로, 그래핀 소재는 2 가지 상이한 접근법에 따라 화학적으로 관능화될 수 있다. 첫 번째 접근법에 따라, 방향족 기저면이 C=C 결합과의 첨가 반응에 의해 변형된다. 현재, 이는 통상적으로 선호되는 접근법이다. 대안적으로, 화학적 관능화가 그래핀 소재의 에지에서 이루어져, 에지-관능화된 그래핀이 수득될 수 있다 (예를 들어, 에지-결합된 잔기를 또 다른 화학기로 치환함). 이러한 접근법은, 특히 면의 단지 한 방향만 한정된 치수를 갖는 그래핀 소재 (그래핀 나노리본) 또는 면의 양쪽 방향 모두 한정된 치수를 갖는 그래핀 소재 (그래핀 분자, 즉, 매우 큰 폴리시클릭 방향족 화합물) 와 관련이 있다.
에지 관능화는 최종 그래핀 소재의 특성에 유의하게 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 그래핀 나노리본은 에지-결합된 H-원자의 아미노기로의 치환을 통해, 트랜지스터 소자에서 p-형 반도체성 거동에서 n-형 반도체성 거동으로 변경될 수 있다. 할로겐 원자로 에지-관능화된 그래핀 소재 또한 매우 큰 관심사이다. 에지-결합된 할로겐 원자의 존재로 인해, 그래핀 소재의 광학 및 전자적 특성이 변형될 수 있다.
하지만, 그래핀의 잘 정의되고 (well-defined) 제어가능한 에지 관능화는 여전히 큰 과제로 남아있다.
본 발명의 목적은 그래핀 소재의 화학적 관능화 방법으로서, 상기 화학적 관능화가 고 수율로 이루어지지만, 그래핀 소재의 특정 영역에서 선택적으로 일어나는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 고도로 화학적 관능화되면서, 여전히 잘 정의된 구조를 갖는 그래핀 소재를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 그래핀 소재의 에지-할로겐화 방법으로서; 그래핀, 그래핀 나노리본, 그래핀 분자 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 그래핀 소재를, 루이스 산의 존재 하에서 할로겐-공여체 화합물과 반응시켜, 에지-할로겐화된 그래핀 소재를 수득하는 방법에 의해 해결된다.
본 발명에서, 그래핀, 그래핀 나노리본 및 그래핀 분자와 같은 그래핀 소재는, 그래핀 소재의 방향족 기저면 상에서의 임의의 할로겐화가 매우 효과적으로 억제되는 반면, 에지에서 매우 선택적으로 할로겐화 (출발 그래핀 소재의 에지를 형성하는 sp2-혼성화 탄소 원자에 공유 결합된 잔기 RE 를 적어도 부분적으로 치환함으로써) 될 수 있고, 상기 그래핀 소재의 에지에서의 할로겐화 정도는 매우 높고, 심지어 정량 (즉 100%) 일 수 있다는 것을 발견하였다.
본 발명에서, 할로겐화 방법에 적용되는 그래핀 소재 (즉, 출발 그래핀 소재) 는 그래핀, 그래핀 나노리본 (GNR) 및 그래핀 분자로부터 선택된다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 모든 이러한 그래핀 소재에서, sp2-혼성화 탄소 원자는 확장된 단층 방향족 기저면을 형성하고, 방향족 기저면의 바로 주변에 위치한 이러한 sp2-혼성화 탄소 원자는 그래핀 소재의 에지를 형성하고 있다. 따라서, 임의의 이러한 그래핀 소재는 방향족 기저면 및 에지를 갖는다. 그래핀 소재의 에지를 형성하는 이러한 sp2-혼성화 탄소 원자 각각에, 잔기가 공유 결합된다 (즉, 에지-결합된 잔기 RE). 하지만, 그래핀, 그래핀 나노리본 및 그래핀 분자는 이들의 면내 (in-plane) 치수가 서로 상이하다. 그래핀의 방향족 기저면은 실제로 양쪽 방향으로 수 나노미터에서 수 미크론 이하까지 확장될 수 있지만, 그래핀 나노리본의 방향족 기저면은 통상적으로 50 nm 미만 또는 심지어 10 nm 미만의 너비를 갖는 스트립의 형태이다. 통상적으로, 그래핀 나노리본의 종횡비 (즉, 길이 대 너비의 비) 는 10 이상이다. 관련 기술 분야에서, 용어 "그래핀 분자" 는 10 nm 이하, 통상적으로 5 nm 이하의 치수를 갖는 매우 큰 폴리시클릭 방향족 화합물에 대하여 통상적으로 사용된다. 용어 "그래핀 소재" 는 또한 방향족 기저면의 탄소 원자의 일부가 헤테로원자로 대체된 소재를 포함한다.
그래핀 출발 소재가 그래핀 분자인 경우, 이는 8 내지 200 개의 융합 방향족 고리, 더욱 바람직하게는 13 내지 91 개의 융합 방향족 고리; 또는 34 내지 91 개의 융합 방향족 고리, 또는 50 내지 91 개의 융합 방향족 고리를 갖는 폴리시클릭 방향족 화합물일 수 있다.
바로 주변에 위치한 방향족 고리 이외에, 임의의 방향족 고리가 2-6 개의 방향족 이웃 고리에 융합된다. 통상적으로, 그래핀 분자는 3-6 개의 방향족 이웃 고리에 융합된, 3 개 이상의 방향족 고리, 더욱 바람직하게는 5 개 이상 또는 7 개 이상의 방향족 고리, 보다 더욱 바람직하게는 14 개 이상 또는 16 개 이상의 방향족 고리를 포함한다.
바람직하게는, 폴리시클릭 방향족 화합물의 융합 방향족 고리는 6-원 탄소 고리이다. 하지만, 또한, 폴리시클릭 방향족 화합물의 융합 방향족 고리의 적어도 일부는 5-원 또는 6-원일 수 있는 헤테로시클릭 고리 (예를 들어, 질소-함유 헤테로시클릭 고리 또는 보론-함유 헤테로시클릭 고리) 일 수도 있다.
그래핀 출발 소재 (즉, 그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자) 의 에지에 공유 결합된 에지-결합된 잔기 RE 는 바람직하게는 수소, 치환 또는 비치환 알킬기, 치환 또는 비치환 아릴기 (예를 들어, 치환 또는 비치환 페닐기), 또는 이들의 임의의 조합물 또는 혼합물로부터 선택된다. 상기 알킬기는 C1-12 알킬기, 더욱 바람직하게는 C1-8 알킬기일 수 있다. 바람직한 구현예에서, 상기 알킬기는 tert.-부틸기 또는 tert.-옥틸기와 같은 3차 알킬기이다.
바람직하게는, 그래핀 분자는 하기 화합물 (I) 내지 (VII) 중 하나 이상으로부터 선택된다:
(여기서, 에지-결합된 잔기 RE 는 상기 제시된 바와 동일한 의미를 가짐).
본 발명의 에지 할로겐화 방법에 적용되는 그래핀 분자는 당업자에게 통상적으로 공지된 방법에 의해 수득될 수 있다. 상기와 같은 화합물의 합성은, 예를 들어 하기 문헌에 잘 기재되어 있다. 화합물 I 의 제조는 K. Mullen et al. 에 의해 [J. Am. Chem. Soc. (2011) 133, 15221] 에 기재되어 있고; 또는 [Angew. Chem. Int. Ed. (1998) 37, 2696] 에 화합물 III; 또는 [Angew. Chem. Int. Ed. (2007) 46, 3033] 에 화합물 IV; 또는 [Angew. Chem. Int. Ed. (1997) 36, 631] 에 화합물 VI; 또는 [Angew. Chem. Int. Ed. (1997) 36, 1604] 에 화합물 V 및 VII 의 제조가 기재되어 있다. K. Mullen et al. 에 의한 기타 합성은, 예를 들어 [Carbon (1998) 36, 827]; [J. Am. Chem. Soc. (2000), 122, 7707]; [J. Am. Chem. Soc. (2004) 126, 7794]; [J. Am. Chem. Soc. (2006), 128, 9526] 에 기재되어 있다.
본 발명의 에지 할로겐화 방법에 적용되는 그래핀 나노리본은 당업자에게 통상적으로 공지된 방법에 의해 수득될 수 있다. 일반적으로, 그래핀 나노리본은 하향식 (top-down) 또는 상향식 (bottom-up) 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
표준 하향식 제작 기법은, 예를 들어 US2010/0047154 및 US2011/0097258 에 기재된 바와 같이 탄소 나노튜브의 지퍼열기 (unzipping), 리소그래피를 사용하거나, 또는 KR2011/005436 에 기재된 바와 같이 형판 (template) 으로서 나노와이어를 사용하여, 그래핀 시트를 절단하는 것을 포함한다.
그래핀 나노리본의 제조를 위한 상향식 접근법은, 예를 들어 [L. Dossel, L. Gherghel, X. Feng, K. Mullen, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 2540-2543 (2011)] 및 [Cai, J.; et al. Nature 466, 470-473 (2010)] 뿐 아니라, PCT/EP2012/072445 및 EP 12 169 326 에 기재되어 있다. 이러한 상향식 접근법에 의해, 매우 잘 정의된 구조를 갖는 그래핀 나노리본이 수득된다. 통상의 중합체와 유사하게, 이와 같은 상향식 접근법에 의해 제조되고, 따라서 "분자" 수준에서 잘 정의된 구조를 갖는 그래핀 나노리본은, 이의 특정 반복 단위를 갖는다. 용어 "반복 단위" 는 나노리본의 부분으로서 이의 반복이 완전한 리본 (말단 제외) 을 생성하거나, 또는 GNR 이 둘 이상의 세그먼트로 이루어진 경우, 이들 세그먼트 중 하나 (말단 제외) 를 생성할 수 있는 나노리본의 부분에 관한 것이다. 용어 "반복 단위" 는 상기 단위의 한 번 이상의 반복이 존재한다는 것을 전제로 한다.
통상적으로, 그래핀 나노리본의 최대 너비는 50 nm 미만, 더욱 바람직하게는 10 nm 미만이다.
그래핀 나노리본의 최대 너비 대 이의 최대 길이의 비는 바람직하게는 10 이상이다.
너비 및 길이는 당업자에게 널리 공지된 현미경법, 예컨대 원자력 현미경법 (AFM), 투과 전자 현미경법 (transmission electron microscopy), 또는 주사 터널링 현미경법 (scanning tunneling microscopy (STM)) 을 이용하여 측정한다. 수 nm 미만의 분해능이 요구되는 경우 (예를 들어, 10 nm 미만의 GNR 의 최대 너비), STM 을 선택하고, 겉보기 너비를 [J. Cai et al., Nature 466, pp. 470-473 (2010)] 에 설명된 바와 같이 STM 시뮬레이션에 의해 한정된 팁 반경에 대하여 교정한다. 겉보기 리본 너비에 대한 팁 효과를 포함시키기 위하여, STM 이미지를 부가적인 롤링 볼 알고리즘 (rolling ball algorithm) 을 이용하여 Tersoff-Hamann 접근법에 따라 시뮬레이션한다. 페르미 (Fermi) 에너지와 페르미 에너지 + 제시된 샘플 오차사이의 상태의 통합 밀도를 제시된 기하학에 대하여 가우시안 (Gaussian) 및 평면파 접근법으로부터 얻는다.
본 발명의 에지 할로겐화 방법에 적용되는 그래핀은 당업자에게 통상적으로 공지된 방법에 의해 수득될 수 있다. 통상적으로 사용되는 방법은, 예를 들어 층간삽입 (intercalation) 및/또는 기계력의 적용에 의한 흑연의 박리이다. 또 다른 널리 공지된 제조 방법에 따라, 흑연을 흑연 산화물로 산화시킨 후, 이를 (예를 들어, 기계력의 적용에 의해, 초음파처리에 의해 또는 염기성 매질 중에서) 그래핀 산화물로 박리하고, 이어서, 예를 들어 열 처리 또는 화학적 환원에 의해 그래핀으로 환원시키고/시키거나 박리 및 환원을 위한 열 충격 처리를 적용할 수 있다 (예를 들어, [W. Bielawski et al., Chem. Soc. Rev., 2010, 39, pp. 228-240] 참조).
통상적으로 공지된 바와 같이, 그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자는 지그-재그 (zig-zag) 에지 구조, 암체어 (armchair) 에지 구조, 또는 상기 두 가지의 조합을 가질 수 있다. 또한, 그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자의 에지는, 또한 "이중-융합 베이 에지 배치 (double-fused bay edge configuration)" 로서 지칭되는, 하기 구조 요소를 포함할 수 있는 것으로 공지되어 있다:
그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자는 이러한 에지 구조 중 단지 하나만 포함하거나, 또는 에지 구조가 서로 상이한 둘 이상의 에지 섹션을 가질 수 있다.
상기 요약된 이러한 에지 구조 (즉, 지그재그, 암체어 및 소위 "이중-융합 베이 에지 배치") 는 각각 본 발명의 할로겐화 방법에 적용될 수 있다.
하지만, 하기에 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, "이중-융합 베이 에지 배치" 는 할로겐 치환이 허용되지 않는 "입체구조로 보호된" 잔기 RE 를 포함할 수 있는 반면, 본 발명의 방법에서 지그-재그 및 암체어 에지 구조의 할로겐화 정도는 매우 높고, 심지어 100% 이거나 이에 근접할 수 있다.
본 발명의 방법에 따라, 출발 그래핀 소재를 할로겐-공여체 화합물과 반응시킨다.
할로겐-공여체 화합물은 일반적으로 당업자에게 공지되어 있다.
바람직하게는, 할로겐-공여체 화합물은 할로겐간 (interhalogen) 화합물, S2Cl2, SOCl2, S2Cl2 및 SOCl2 의 혼합물, SO2Cl2, Cl2, Br2, F2, I2, PCl3, PCl5, POCl3, POCl5, POBr3, N-브로모 숙신이미드, N-클로로 숙신이미드 또는 이들의 임의의 혼합물로부터 선택된다.
바람직하게는, 할로겐간 화합물은 하기 화학식 (VIII) 를 갖는 화합물이다:
XYn
(VIII)
[식 중,
n 은 1, 3, 5 또는 7 이고;
X 및 Y 는, 서로 상이하고, F, Cl, Br 및 I 로부터 선택됨].
바람직하게는, X 는 Y 보다 전기음성도가 낮다.
할로겐간 화합물은, 예를 들어 ICl, IBr, BrF, BrCl, BrF3, ClF, ClF3 또는 이들의 임의의 혼합물로부터 선택될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 할로겐-공여체 화합물은 ICl, S2Cl2, SOCl2, S2Cl2 및 SOCl2 의 혼합물, Cl2 또는 이들의 임의의 혼합물로부터 선택된다.
바람직하게는, 본 발명의 할로겐화 방법은 염소화 방법이다. 따라서, 할로겐-공여체 화합물이 염소-공여체 (Cl-공여체) 화합물인 것이 바람직하다.
할로겐-공여체 화합물이 할로겐간 화합물인 경우, 이는 통상적으로 높은 전기음성도를 갖는 종으로, 출발 그래핀 소재의 에지-결합된 잔기 RE 를 대체하게 된다. 보다 구체적으로, 출발 그래핀 소재를, 예를 들어 ICl 와 반응시키는 경우, 염소화된 그래핀 소재가 수득된다.
상기 제시된 바와 같이, 출발 그래핀 소재 및 할로겐-공여체 화합물을 루이스 산의 존재 하에서 반응시킨다.
본 발명에서, 용어 "루이스 산" 은 이의 통상적으로 허용되는 의미에 따라 사용되고, 따라서 전자쌍 수용체이고, 따라서 루이스 염기와 반응하여 루이스 염기에 의해 제공된 전자쌍을 공유함으로써 루이스 부가물을 형성할 수 있는 분자 부분에 관한 것이다.
루이스 산은 화학식 (IX) 또는 화학식 (X) 또는 (XI) 또는 (XII) 의 화합물로부터 선택될 수 있다:
AX3
(IX)
[식 중, A 는 Al, Fe, Sm, Sc, Hf, In, Y 또는 B 이고, X 는 할로겐 (바람직하게는 F, Cl, Br, P) 또는 트리플루오로술포네이트 (예를 들어, 트리플루오로메탄술포네이트 OTf) 임];
AX5
(X)
[식 중, A 는 P, Sb, Mo 또는 As 이고, X 는 할로겐 (바람직하게는 Cl) 임];
AX4
(XI)
[식 중, A 는 Ti 또는 Sn 이고, X 는 할로겐 (바람직하게는 Cl) 임];
AX2
(XII)
[식 중, A 는 Mg, Zn, Cu 또는 Be 이고, X 는 할로겐 (바람직하게는 Cl) 또는 트리플루오로술포네이트 (예를 들어, 트리플루오로메탄술포네이트 OTf) 임].
바람직한 루이스 산에는, 예를 들어 AlCl3, AlBr3, FeCl3, FeBr3, Sm(OTf)3, BF3, Cu(OTf)2, ZnCl2, BCl3, BeCl2 또는 이들의 임의의 혼합물이 포함된다.
바람직하게는, 루이스 산은 촉매로서 작용한다. 따라서, 루이스 산은 적은 양으로 첨가되는 것이 바람직하다.
그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자 대 루이스 산의 중량비는 20/1 내지 1/10, 더욱 바람직하게는 5/1 내지 1/4 과 같은 폭넓은 범위에 걸쳐 가변적일 수 있다.
그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자의 에지-결합된 잔기 RE 대 루이스 산의 몰비는 100/1 내지 1/5, 더욱 바람직하게는 25/1 내지 1/2 과 같은 폭넓은 범위에 걸쳐 가변적일 수 있다.
그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자 대 할로겐-공여체 화합물의 중량비는 1/1000 내지 1/10, 더욱 바람직하게는 1/500 내지 1/30 과 같은 폭넓은 범위에 걸쳐 가변적일 수 있다.
그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자의 에지-결합된 잔기 RE 대 할로겐-공여체 화합물의 몰비는 1/1 내지 1/200, 더욱 바람직하게는 1/5 내지 1/70 과 같은 폭넓은 범위에 걸쳐 가변적일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 할로겐화 방법은 유기 액체 또는 용매 중에서 수행된다.
적합한 유기 액체 또는 용매는 일반적으로 당업자에게 공지되어 있고, 이에는, 예를 들어 펜탄, 헥산, 헵탄, 옥탄 또는 이들의 혼합물과 같은 액체 탄화수소, 또는 바람직하게는 CCl4, CHCl3, CH2Cl2, 디클로로에탄, 테트라클로로에탄, CH3Br, 클로로벤젠, 디클로로벤젠, 클로로플루오로카본, 히드로클로로플루오로카본, 브로모클로로플루오로카본, 브로모플루오로카본, 히드로플루오로카본 또는 이들의 임의의 혼합물과 같은 할로겐화탄소가 포함될 수 있다. 할로겐 공여체 화합물은 또한 액체 또는 용매로서 사용될 수 있고, 예를 들어 SOCl2 가 액체로서 사용될 수 있다.
반응 온도는 폭넓은 범위에 걸쳐 가변적일 수 있다. 적합한 반응 온도는, 예를 들어 -20℃ 내지 200℃, 더욱 바람직하게는 40℃ 내지 150℃ 의 범위이다. 사용되는 액체의 유형에 따라, 반응 온도의 상한은 가변적일 수 있다. 상기 반응 온도는 -20℃ 내지 액체 또는 액체 혼합물의 비등점의 범위 내일 수 있다.
본 발명의 할로겐화 방법에서, 그래핀 또는 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자 및 할로겐-공여체 화합물 및 루이스 산은 유기 액체에 임의의 순서로, 바람직하게는 실온에서 첨가될 수 있고, 이어서 온도를 충분히 증가시켜, 에지 할로겐화 반응 (즉, 에지-결합된 잔기 RE 의 Cl 과 같은 할로겐 원자로의 치환) 을 가속화시킬 수 있다. 상기 이미 언급된 바와 같이, 상기 반응은 환류 하에서 또는 적어도 액체의 비등점 TB (대기압 하에서) 에 근접한 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 T반응 은 0.8 * TB 내지 1.0 * TB 이다.
반응 혼합물은 최고도의 에지 할로겐화를 제공하기에 충분한 시간 동안 상기 반응 온도에서 유지된다.
본 발명의 방법을 이용하여, 방향족 기저면의 임의의 할로겐화는 거의 완전하게 억제하는 반면, 고도의 에지 할로겐화를 달성할 수 있다. 입체구조로 보호된 잔기 RE 를 함유하는 이중 융합 베이 에지 배치를 제외하고는, 그래핀 소재의 에지에서의 할로겐화 정도는 정량이거나 (즉, 에지-결합된 잔기 RE 의 할로겐 원자로의 100% 치환) 또는 적어도 100% 에 근접하며, 예컨대 90% 이상, 더욱 바람직하게는 94% 이상, 또는 98% 이상이다.
오로지 특정 에지 배치의 입체구조로 보호된 영역 내 에지-결합된 잔기 RE 만이 할로겐 원자로의 치환이 허용되지 않을 수 있다.
상기 이미 언급된 바와 같이, 본 발명의 할로겐화 방법에 적용되는 그래핀 소재는 하기 구조의 에지 또는 하나 이상의 에지 섹션 (때때로, "이중-융합 베이 에지" 로 지칭됨) 을 가질 수 있다:
이러한 이중-융합 베이 에지 구조는 할로겐 치환이 허용되는 잔기 (상기 구조에서 "RE,A" 로서 제시됨) 를 가질 뿐 아니라, 할로겐 치환이 허용되지 않는 "입체구조로 보호된" 잔기 (상기 구조에서 "RE,P" 로서 제시됨) 를 포함한다. 본 발명의 할로겐화 방법에서, 잔기 RE,A 의 할로겐으로의 치환의 정도는 매우 높고, 거의 정량이거나 심지어 100% 일 수 있다. 한편, 잔기 RE,P 는 통상적으로 할로겐화 과정의 완결 후에도 여전히 존재한다. 따라서, 본 발명의 할로겐화 방법에 적용되는 그래핀 출발 소재가 이중-융합 베이 에지 구조를 포함하는 경우, 잘 정의된 치환 패턴을 갖는 에지-할로겐화된 그래핀 소재 (즉, 잔기 RE,A 는 거의 정량으로 할로겐 치환되고, 잔기 RE,P 는 전혀 할로겐 치환되지 않음) 가 수득된다.
하기에 보다 상세하게 논의되고 실시예로 입증되는 바와 같이, 본 발명의 방법은 방향족 기저면의 임의의 할로겐화는 거의 완전하게 억제하는 반면, 출발 그래핀 소재의 에지를 선택적으로 할로겐화한다 (에지-결합된 잔기 RE (즉, 그래핀 소재의 에지를 형성하는 sp2-혼성화 탄소 원자에 결합된 잔기 RE) 의 할로겐으로의 치환을 통해). 다시 말해서, 화학적 관능화가 에지에 한정되기 때문에, 그래핀 소재의 확장된 방향족 시스템을 형성하는 원자의 혼성화 상태는 본 발명의 방법 중에 변하지 않는다. 이는 여전히 연장된 반응 시간 및/또는 증가된 반응 온도 및/또는 과량의 할로겐화제에 대해서도 사실이다.
할로겐화 정도는 통상적으로 공지된 분석 방법, 예컨대 1H-NMR 분광법, 13C-NMR 분광법, XPS (X-선 광전자 분광법), IR 분광법 및/또는 질량 분광법 (예를 들어, 매트릭스 지원 레이저 탈착/이온화 비행 시간 (matrix-assisted laser desorption/ionization time of flight (MALDI-TOF)) 질량 분광법) 에 의해 모니터링될 수 있다.
목적하는 할로겐화 정도가 달성되면, 에지-할로겐화된 그래핀 소재는 통상적으로 공지된 방법, 예컨대 여과 또는 감압 하에서 휘발성 성분의 증발에 의해 반응 매질로부터 분리될 수 있다. 요구되는 경우, 또한, 예를 들어 에탄올과 같은 극성 용매의 첨가를 통한 침전에 의해 할로겐화 반응을 켄칭할 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 수득되는 할로겐화된 그래핀 소재는 그래핀과 비교하여 개선된 용해성을 갖는다. 일례로서, 본 발명의 방법에 의해 제조된 할로겐화된 그래핀 분자는 톨루엔, 클로로포름 및 이황화탄소와 같은 통상의 유기 용매 중에서 용이하게 용해되어 균일한 용액을 형성할 수 있다.
나아가, 할로겐화 과정이 방향족 기저면이 아니라 에지에서 선택적으로 일어나기 때문에, 그래핀 소재의 전자적 및 광학적 특성이 잘 정의된 방식으로 변형 및 미세조정될 수 있다.
상기 논의된 바와 같이, 본 발명의 방법을 이용하여, 그래핀 소재의 방향족 기저면 상에서의 할로겐화는 거의 완전하게 억제되는 반면, 에지에서 선택적으로 할로겐화되는 그래핀 소재 (즉, 그래핀, 그래핀 나노리본 GNR, 또는 그래핀 분자) 를 제공할 수 있다.
따라서, 추가 측면에 따라, 본 발명은 방향족 기저면 및 에지를 포함하는 할로겐화된 그래핀 소재로서, 상기 그래핀 소재의 에지에 공유 결합된 잔기 RE 의 65 mole% 이상이 할로겐 원자 HAE 이고, 상기 에지-결합된 할로겐 원자 HAE 는 할로겐화된 그래핀 소재 중에 존재하는 모든 할로겐 원자의 95 mole% 이상에 해당하며, 여기서 상기 그래핀 소재는 그래핀, 그래핀 나노리본 및 그래핀 분자로부터 선택되는 할로겐화된 그래핀 소재를 제공한다.
에지-결합된 할로겐 원자 대 기저면 결합된 할로겐 원자의 비, 및 그래핀 소재의 에지에서의 할로겐 치환 정도는 공지된 분석 방법에 의해 측정될 수 있다. 바람직한 구현예에 따라, XPS (X-선 광전자 분광법) 분석이 사용된다. 본 발명에서, XPS 스펙트럼은 분말 샘플을 사용하여 Al Kα 단색 (monochromatic) 공급원이 장착된 ESCALAB 250 (Thermo-VG Scientific) 상에서 측정되었다.
그래핀 분자, 그래핀 나노리본 및 그래핀의 특성에 대하여, 물론 주로 할로겐 원자인 에지-결합된 잔기 RE 를 제외하고는, 상기 언급된 서술이 참조될 수 있다.
상기 설명되고 당업자에게 공지된 바와 같이, 그래핀 소재에서, sp2-혼성화 탄소 원자는 확장된 단층 방향족 기저면을 형성하고, 방향족 기저면의 바로 주변에 위치한 sp2-혼성화 탄소 원자는 그래핀 소재의 에지를 형성하게 된다. 따라서, 임의의 이러한 그래핀 소재는 방향족 기저면 및 에지를 갖는다. 그래핀 소재의 에지를 형성하는 이러한 sp2-혼성화 탄소 원자 각각에, 잔기가 공유 결합된다 (즉, 에지-결합된 잔기 RE). 본 발명을 이용하여, 그래핀 소재의 에지에 공유 결합된 잔기 RE 의 65 mole% 이상은 할로겐 원자 HAE 이고, 상기 에지-결합된 할로겐 원자 HAE 는 할로겐화된 그래핀 소재 중에 존재하는 모든 할로겐 원자의 95 mole% 이상에 해당하는 그래핀 소재를 제공할 수 있다.
상기 그래핀 분자는 8 내지 200 개의 융합 방향족 고리, 더욱 바람직하게는 13 내지 91 개의 융합 방향족 고리; 또는 34 내지 91 개의 융합 방향족 고리, 또는 50 내지 91 개의 융합 방향족 고리를 갖는 폴리시클릭 방향족 화합물일 수 있다. 바로 주변에 위치한 방향족 고리 이외에, 임의의 방향족 고리가 2-6 개의 방향족 이웃 고리에 융합된다. 통상적으로, 상기 그래핀 분자는 3-6 개의 방향족 이웃 고리에 융합된, 3 개 이상의 방향족 고리, 더욱 바람직하게는 5 개 이상 또는 7 개 이상의 방향족 고리, 보다 더욱 바람직하게는 14 개 이상 또는 16 개 이상의 방향족 고리를 포함한다. 바람직하게는, 폴리시클릭 방향족 화합물의 융합 방향족 고리는 6-원 탄소 고리이다. 하지만, 또한, 폴리시클릭 방향족 화합물의 융합 방향족 고리의 적어도 일부는 5-원 또는 6-원일 수 있는 헤테로시클릭 고리 (예를 들어, 질소-함유 또는 보론-함유 헤테로시클릭 고리) 일 수 있다.
바람직한 구현예에서, 할로겐화된 그래핀 분자는 하기 화학식 (XIII), (XIV), (XV), (XVI), (XVII), (XVIII) 및 (XIX) 중 하나를 갖는다:
할로겐화된 그래핀 분자 (XIII) 의 화학식은 C42Cl18 이다.
할로겐화된 그래핀 분자 (XIV) 의 화학식은 C48Cl18 이다.
할로겐화된 그래핀 분자 (XV) 의 화학식은 C60Cl22 이다.
할로겐화된 그래핀 분자 (XVI) 의 화학식은 C60Cl24 이다.
할로겐화된 그래핀 분자 (XVII) 의 화학식은 C96Cl27H3 이다.
할로겐화된 그래핀 분자 (XVIII) 의 화학식은 C132Cl32H2 이다.
할로겐화된 그래핀 분자 (XIX) 의 화학식은 C222Cl42 이다.
고도의 할로겐화로 인해, 본 발명의 그래핀 분자는 톨루엔, 클로로포름 및 이황화탄소와 같은 통상의 유기 용매 중에 용이하게 용해될 수 있다. 통상적으로 공지된 방법, 예컨대 용매 증발에 의해, 상기 그래핀 분자는 결정성 형태로 제공될 수 있다.
할로겐화된 그래핀 소재가 할로겐화된 그래핀 나노리본인 경우, 이의 최대 너비는 통상적으로 50 nm 미만, 더욱 바람직하게는 10 nm 미만이다. 그래핀 나노리본의 최대 너비 대 이의 최대 길이의 비는 바람직하게는 10 이상이다. 너비 및 길이는 현미경법, 예컨대 원자력 현미경법 (AFM), 투과 전자 현미경법 또는 주사 터널링 현미경법 (STM) 을 이용하여 측정한다. 수 nm 미만의 분해능이 요구되는 경우 (예를 들어, 10 nm 미만의 최대 너비를 갖는 GNR), STM 을 선택하고, 겉보기 너비를 [J. Cai et al., Nature 466, pp. 470-473 (2010)] 에 설명된 바와 같이 STM 시뮬레이션에 의해 한정된 팁 반경에 대하여 교정한다. 겉보기 리본 너비에 대한 팁 효과를 포함시키기 위하여, STM 이미지를 부가적인 롤링 볼 알고리즘을 이용하여 Tersoff-Hamann 접근법에 따라 시뮬레이션한다. 페르미 (Fermi) 에너지와 페르미 에너지 + 제시된 샘플 오차사이의 상태의 통합 밀도를 제시된 기하학에 대하여 가우시안 (Gaussian) 및 평면파 접근법으로부터 얻는다.
상기 언급된 바와 같이, 본 발명의 할로겐화 방법에 적용되는 그래핀 나노리본은 심지어 "분자 수준" 에서 매우 잘 정의된 구조를 가질 수 있기 때문에, 통상의 중합체와 유사하게, 특정 반복 단위를 특징으로 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법이 정의된 에지-할로겐화를 야기하기 때문에, 반복 단위 RU 를 포함하는 할로겐화된 그래핀 나노리본이 수득된다.
따라서, 바람직한 구현예에서, 할로겐화된 그래핀 소재는 반복 단위 RU 를 포함하는 할로겐화된 그래핀 나노리본이고, 상기 할로겐화된 그래핀 나노리본 또는 적어도 이의 세그먼트는 [RU]n (여기서, 2≤n≤2500 이고, 더욱 바람직하게는 10≤n≤2500 임) 로 이루어진다.
상기 제시된 바와 같이, 그래핀 소재의 에지에 공유 결합된 잔기 RE 의 65 mole% 이상은 할로겐 원자 HAE 이고, 상기 에지-결합된 할로겐 원자 HAE 는 할로겐화된 그래핀 소재 중에 존재하는 모든 할로겐 원자의 95 mole% 이상에 해당한다.
그래핀 소재가 하기 구조 ("이중-융합 베이 에지 배치") 의 임의의 에지 섹션을 포함하지 않거나:
상기와 같은 이중-융합 베이 에지 섹션을 소량으로 포함하는 경우, 에지-결합된 잔기 RE 는 대부분 할로겐 원자일 수 있다. 따라서, 바람직한 구현예에서, 그래핀 소재의 에지에 공유 결합된 잔기 RE 의 90 mole% 이상, 더욱 바람직하게는 95 mole% 이상, 보다 더욱 바람직하게는 98 mole% 또는 심지어 100 mole% 가 할로겐 원자 HAE 이다.
한편, 그래핀 소재의 에지가 상기와 같은 이중-융합 베이 에지 배치로만 이루어지거나 또는 상기 에지 배치를 많은 양으로 포함하는 경우, 에지-결합된 잔기 RE 내 할로겐 원자의 최소량은 다소 낮지만, 여전히 65 mole% 이상, 더욱 바람직하게는 70 mole% 이상 또는 75 mole% 이상이다.
바람직하게는, 상기 에지-결합된 할로겐 원자 HAE 는 할로겐화된 그래핀 소재 중에 존재하는 모든 할로겐 원자의 95 mole% 또는 98 mole% 이상, 더욱 바람직하게는 99 mole% 이상, 보다 더욱 바람직하게는 100 mole% 에 해당한다.
추가 측면에 따라, 본 발명은 상기 기재된 바와 같은 그래핀 소재의 에지-할로겐화 방법에 의해 수득가능한 할로겐화된 그래핀 소재를 제공한다. 바람직하게는, 상기 방법에 의해 수득가능한 할로겐화된 그래핀 소재는 상기 기재된 바와 같은 특성을 갖는다. 할로겐화된 그래핀 분자 (특히 화학식 (XIII) 내지 (XIX) 의 그래핀 분자), 할로겐화된 그래핀 나노리본 (예를 들어, 반복 단위를 특징으로 하는 정의된 구조의 그래핀 나노리본), 및 상기 기재된 할로겐화된 그래핀을 참조할 수 있다.
상기 언급된 바와 같이, 고도의 선택적 에지-할로겐화로 인해, 액체 매질, 특히 톨루엔, 클로로포름 및 이황화탄소와 같은 유기 액체 매질 중에서 개선된 용해성 또는 분산성을 나타내는 할로겐화된 그래핀 소재가 수득된다. 이와 같이 수득된 그래핀 소재는 추가 변형, 예를 들어 그래핀 기저면 내 화학적 변형 또는 에지에서의 부분 또는 전체적인 할로겐 치환에 용이하게 적용될 수 있다.
따라서, 추가 측면에 따라, 본 발명은 액체 매질, 특히 유기 액체 매질 중에 용해 또는 분산된, 상기 기재된 바와 같은 하나 이상의 할로겐화된 그래핀 소재를 포함하는 조성물을 제공한다.
나아가, 할로겐화 과정이 방향족 기저면이 아니라 에지에서 선택적으로 일어나기 때문에, 그래핀 소재의 전자적 및 광학적 특성이 잘 정의된 방식으로 변형 및 미세조정될 수 있다.
따라서, 추가 측면에 따라, 본 발명은 상기 기재된 바와 같은 하나 이상의 할로겐화된 그래핀 소재를 포함하는 반도체 필름 (예를 들어, 박막) 을 포함하는 전자, 광학 또는 광전자 소자를 제공한다.
바람직하게는, 상기 소자는 유기 전계 효과 트랜지스터 소자, 유기 광전지 소자 또는 유기 발광 다이오드이다.
추가 측면에 따라, 본 발명은 전자, 광학 또는 광전자 소자, 예컨대 유기 전계 효과 트랜지스터 소자, 유기 광전지 소자 또는 유기 발광 다이오드에서의, 상기 기재된 할로겐화된 그래핀 소재의 용도에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 따라 보다 상세하게 기재할 것이다.
실시예
I.
할로겐화된 그래핀 분자의 제조
하기 그래핀 분자를 그래핀 출발 소재로서 사용하였다:
-
C42H18 (화학식 I 의 그래핀 분자)
화학식 C42H18 의 화합물을 [K. Mullen et al., J. Am. Chem. Soc. (2011) 133, 15221] 에 기재된 바와 같이 제조하였다.
-
C48H18 (화학식 II 의 그래핀 분자)
화학식 C48H18 의 화합물을 [K. Mullen et al., J. Am. Chem. Soc. (2006) 128, 9526] 에 기재된 바와 같이 제조하였다.
-
C60H22 (화학식 III 의 그래핀 분자)
화학식 C60H22 의 화합물을 [Angew. Chem. Int. Ed. (1998) 37, 2696] 에 기재된 바와 같이 제조하였다.
-
C60H24 (화학식 IV 의 그래핀 분자)
화학식 C60H24 의 화합물을 [Angew. Chem. Int. Ed. (2007) 46, 3033] 에 기재된 바와 같이 제조하였다.
-
C96H30 (화학식 V 의 그래핀 분자)
화학식 C96H30 의 화합물을 [Angew. Chem. Int. Ed. (1997) 36, 1604] 에 기재된 바와 같이 제조하였다.
-
C132H34 (화학식 VI 의 그래핀 분자)
화학식 C132H34 의 화합물을 [Angew. Chem. Int. Ed. (1997) 36, 631] 에 기재된 바와 같이 제조하였다.
-
C222H42 (화학식 VII 의 그래핀 분자)
화학식 C222H42 의 화합물을 [Angew. Chem. Int. Ed. (1997) 36, 1604] 에 기재된 바와 같이 제조하였다.
이러한 그래핀 분자를 각각 루이스 산의 존재 하에서 할로겐-공여체 화합물과 반응시켰다. ICl 을 할로겐-공여체로서 사용하였고, 루이스 산은 AlCl3 였다.
그래핀 분자 C42H18 (I) 을 하기와 같이 할로겐화하였다:
50 ml 플라스크에 0.1 mmol (52 mg) 의 C42H18, 0.2 mmol (26 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 충전한 후, 상기 반응물을 80 ℃ 에서 48 시간 동안 교반 및 환류시켰다. 반응 후, 생성물을 30 ml 에탄올에 부어 반응을 켄칭하고, 생성물을 침전시켰다. 그 후, 상기 현탁액을 여과하고, 침전을 에탄올, 염산 (1.0 mol/L), 탈이온수 및 아세톤으로, 순차적으로 세정하였다. 진공에서 건조시킨 후, 약 107 mg (0.097 mmol) 의 황색 분말을 수득하였다. 수율은 약 97% 였다.
그래핀 분자 C48H18 (II) 를 하기와 같이 할로겐화하였다:
50 ml 플라스크에 0.1 mmol (60 mg) 의 C48H18, 0.2 mmol (26 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 충전한 후, 상기 반응물을 80 ℃ 에서 48 시간 동안 교반 및 환류시켰다. 반응 후, 생성물을 30 ml 에탄올에 부어 반응을 켄칭하고, 생성물을 침전시켰다. 그 후, 상기 현탁액을 여과하고, 침전을 에탄올, 염산 (1.0 mol/L), 탈이온수 및 아세톤으로, 순차적으로 세정하였다. 진공에서 건조시킨 후, 약 103 mg (0.086 mmol) 의 주황색 분말을 수득하였다. 수율은 약 85% 였다.
그래핀 분자 C60H22 (III) 을 하기와 같이 할로겐화하였다:
50 ml 플라스크에 0.1 mmol (75 mg) 의 C60H22, 0.25 mmol (34 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 충전한 후, 상기 반응물을 80 ℃ 에서 48 시간 동안 교반 및 환류시켰다. 그 후, 과량의 ICl 및 용매 CCl4 를 회전식 증발기를 이용하여 45 ℃ 에서 제거하였다. 암적색 분말을 수득하고, 이를 에탄올로 2 회 세정하였다. 그 후, 생성물을 용리액으로서 클로로포름/헥산 (1:1) 을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다. 생성물을 용매 앞부분에서 첫 번째 성분으로서 수집하였다. 용매를 증발시키고 진공에서 건조시킨 후, 143 mg 의 암적색 분말을 수득하였다. 수율은 약 95% 였다.
그래핀 분자 C60H24 (IV) 를 하기와 같이 할로겐화하였다:
50 ml 플라스크에 0.1 mmol (75 mg) 의 C60H24, 0.25 mmol (34 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 충전한 후, 상기 반응물을 80 ℃ 에서 48 시간 동안 교반 및 환류시켰다. 그 후, 과량의 ICl 및 용매 CCl4 를 회전식 증발기를 이용하여 45 ℃ 에서 제거하였다. 적색 분말을 수득하고, 이를 에탄올로 2 회 세정하였다. 그 후, 생성물을 용리액으로서 클로로포름을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다. 생성물을 용매 앞부분에서 첫 번째 성분으로서 수집하였다. 용매를 증발시키고 진공에서 건조시킨 후, 145 mg 의 적색 분말을 수득하였다. 수율은 약 93% 였다.
그래핀 분자 C96H30 (V) 를 하기와 같이 할로겐화하였다:
50 ml 플라스크에 0.05 mmol (60 mg) 의 C96H30, 0.20 mmol (28 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 충전한 후, 상기 반응물을 80 ℃ 에서 48 시간 동안 교반 및 환류시켰다. 그 후, 과량의 ICl 및 용매 CCl4 를 회전식 증발기를 이용하여 45 ℃ 에서 제거하였다. 흑색 분말을 수득하고, 이를 에탄올로 2 회 세정하였다. 그 후, 생성물을 용리액으로서 클로로포름을 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다. 생성물을 용매 앞부분에서 첫 번째 성분으로서 수집하였다. 용매를 증발시키고 진공에서 건조시킨 후, 100 mg 의 흑색 분말을 수득하였다. 수율은 약 95% 였다.
그래핀 분자 C132H34 (VI) 을 하기와 같이 할로겐화하였다:
50 ml 플라스크에 0.015 mmol (25 mg) 의 C132H34, 0.20 mmol (28 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 충전한 후, 상기 반응물을 80 ℃ 에서 5 일 동안 교반 및 환류시켰다. 반응 후, 과량의 ICl 및 용매 CCl4 를 회전식 증발기를 이용하여 50 ℃ 에서 제거하였다. 흑색 분말을 수득하고, 이를 에탄올로 2 회 세정하였다. 그 후, 생성물을 용리액으로서 클로로포름/이황화탄소 (1:1) 를 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다. 생성물을 용매 앞부분에서 첫 번째 성분으로서 수집하였다. 용매를 증발시키고 진공에서 건조시킨 후, 34 mg 의 흑색 분말을 수득하였다. 수율은 약 83% 였다.
그래핀 분자 C222H42 (VII) 을 하기와 같이 할로겐화하였다:
50 ml 플라스크에 0.01 mmol (27 mg) 의 C222H42, 0.20 mmol (26 mg) 의 AlCl3, 15 mmol (2.5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 충전한 후, 상기 반응물을 80 ℃ 에서 60 시간 동안 교반 및 환류시켰다. 그 후, 과량의 ICl 및 용매 CCl4 를 회전식 증발기를 이용하여 45 ℃ 에서 제거하였다. 흑색 분말을 수득하고, 이를 에탄올로 2 회 세정하였다. 그 후, 생성물을 용리액으로서 클로로포름/이황화탄소 (1:1) 를 사용하여 컬럼 크로마토그래피로 정제하였다. 생성물을 용매 앞부분에서 첫 번째 성분으로서 수집하였다. 용매를 증발시키고 진공에서 건조시킨 후, 38 mg 의 흑색 분말을 수득하였다. 수율은 약 90% 였다.
상기 할로겐화된 그래핀 분자의 질량 스펙트럼을 기록하였다. 질량 스펙트럼을 Bruker 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온 공급원과 커플링된 비행 시간 질량 스펙트럼 (MALDI-TOF) 으로 획득하였다. 모든 할로겐화된 그래핀 분자의 질량 스펙트럼은 하나의 주요 분자 질량 피크를 나타내었는데, 이는 수득된 염소화된 그래핀 분자의 순도 및 정의된 구조를 의미하는 것이다. 염소화된 그래핀 분자의 분자 질량 피크의 동위원소 분포 패턴은 이하 추가로 제시되는 분자식 (XIII) 내지 (XIX) 에 대하여 계산한 것과 일치한다.
또한 상기 할로겐화된 그래핀 분자에 대하여 IR 스펙트럼을 측정하였다. IR 스펙트럼을 염소화된 그래핀 분자의 고체 필름으로 코팅된 KBr 결정 디스크 상에서 획득하였다. 화학식 (I)-(IV) 및 (VII) 의 화합물로부터 제조된 염소화된 그래핀 분자의 IR 스펙트럼에서는 C-H 스트레치 신호 (stretch signal) 가 존재하지 않았는데, 이는 그래핀 분자의 에지에서의 완전한 염소 관능화를 입증하는 것이다. 화합물 (V) 및 (VI) 의 이중-융합 베이 에지 배치에서의 고도의 입체 방해로 인해, 각각, 3 개 및 2 개의 수소 원자가 남아있었고, 이는 IR 스펙트럼에 명확하게 나타나있다.
XPS 스펙트럼을 분말 샘플을 사용하여 Al Kα 단색 공급원이 장착된 ESCALAB 250 (Thermo-VG Scientific) 상에서 측정하였다.
질량 스펙트럼, IR 스펙트럼 및 XPS 스펙트럼은, 방향족 기저면 상에서의 임의의 할로겐화는 완전하게 억제되었던 반면, 할로겐화가 그래핀 분자의 에지에서 선택적으로 일어났고, 상기 에지에서의 할로겐화 정도는 매우 높거나 심지어 정량이었다는 것을 확인시켜 준다. 오로지 이중-융합 베이 에지 배치에 의해 입체구조로 보호된 에지-결합된 H-원자만이 Cl 원자로 치환되지 않았다.
그래핀 분자 (I) 의 할로겐화로부터, 하기 에지-할로겐화된 그래핀 분자 (XIII) 을 수득하였다:
그래핀 분자 (II) 의 할로겐화로부터, 하기 에지-할로겐화된 그래핀 분자 (XIV) 를 수득하였다:
그래핀 분자 (III) 의 할로겐화로부터, 하기 에지-할로겐화된 그래핀 분자 (XV) 를 수득하였다:
그래핀 분자 (IV) 의 할로겐화로부터, 하기 에지-할로겐화된 그래핀 분자 (XVI) 을 수득하였다:
그래핀 분자 (V) 의 할로겐화로부터, 하기 에지-할로겐화된 그래핀 분자 (XVII) 을 수득하였다:
그래핀 분자 (VI) 의 할로겐화로부터, 하기 에지-할로겐화된 그래핀 분자 (XVIII) 을 수득하였다:
그래핀 분자 (VII) 의 할로겐화로부터, 하기 에지-할로겐화된 그래핀 분자 (XIX) 를 수득하였다:
추가 실험에서, 할로겐화된 그래핀 분자 (XIII) 내지 (XVII) 를 각각 용매 증발에 의해 용액으로부터 결정화하였다. 이러한 그래핀 분자 (XIII) 내지 (XVIII) 의 결정성 형태에 대한, X-선 회절 측정을 수행하였다. 이러한 XRD 측정치는 상기 제시된 구조를 확증하였다.
(XIII) 의 단결정을 용매 증발에 의해 이의 이황화탄소 용액에서 성장시켰다. X-선 회절을 흑연-단색화 Cu Kα 방사선 공급원 (1.54178 Å) 을 사용하여 STOE 회절계 상에서 측정하였다.
결정 데이터: C42Cl18·(CS2)2, M =1294.78, 삼사정계 (triclinic), a = 9.1469(18)Å, b = 10.368(2)Å, c = 12.092(2)Å, α= 86.48(3)°, β= 88.75(3)°, γ= 75.41(3)°, V = 1107.6(4)Å3, T = 193(2)K, 공간 군 P-1, Z = 4, μ(CuKα)= 12.292, 13412 개의 반사 (reflections) 가 측정됨, 3603 개가 고유함 (unique) (Rint = 0.1935) (이를 모든 계산에 사용함). 최종 wR2 는 0.3097 (모든 데이터) 이었고, R1 은 0.0959 (>2sigma(I)) 였다.
(XIV) 의 단결정을 용매 증발에 의해 이의 이황화탄소 용액에서 성장시켰다. X-선 회절을 흑연-단색화 Cu Kα 방사선 공급원 (1.54178 Å) 을 사용하여 Oxford Supernova 회절계 상에서 측정하였다.
결정 데이터: C48Cl18, M = 1214.58, 단사정계 (monoclinic), a = 12.861(2)Å, b = 28.435(4)Å, c = 10.629(3)Å, β = 97.155(18)°, V = 3856.7(13)Å3, T = 173(2)K, 공간 군 C2/c (no. 15), Z = 4, μ(CuKα) = 12.097, 9190 개의 반사가 측정됨, 3161 개가 고유함 (Rint = 0.0430) (이를 모든 계산에 사용함). 최종 wR2 는 0.2542 (모든 데이터) 였고, R1 은 0.0825 (>2sigma(I)) 였다.
(XV) 의 단결정을 용매 증발에 의해 이의 이황화탄소/클로로포름 (1:1) 용액에서 성장시켰다. 그 후, 결정을 흑연-단색화 Mo Kα 방사선 공급원 (0.71073 Å) 을 사용하여 Bruker 회절계 상에서 측정하였다.
결정 데이터: C60Cl22, M = 1500.50, 단사정계, a = 27.683(6)Å, b = 21.998(4)Å, c = 21.006(4)Å, β = 91.15(3)°, V = 12790(4)Å3, T = 173(2)K, 공간 군 C2/c (no. 15), Z = 8, μ(MoKα) = 0.976, 35168 개의 반사가 측정됨, 12556 개가 고유함 (Rint = 0.0756) (이를 모든 계산에 사용함). 최종 wR2 는 0.1397 (모든 데이터) 이었고, R1 은 0.0651 (>2sigma(I)) 이었다.
(XVI) 의 단결정을 용매 증발에 의해 이의 톨루엔 용액에서 성장시켰다. X-선 회절을 흑연-단색화 Cu Kα방사선 공급원 (1.54178 Å) 을 사용하여 Oxford Supernova 회절계 상에서 측정하였다.
결정 데이터: C60Cl24, M = 1571.40, 단사정계, a = 20.4128(7)Å, b = 22.9777(6)Å, c = 15.0794(5)Å, β= 108.949(4)°, V = 6689.5(4)Å3, T = 173(2)K, 공간 군 C2/c (no. 15), Z = 4, μ(CuKα) = 9.277, 12430 개의 반사가 측정됨, 5897 개가 고유함 (Rint = 0.0301) (이를 모든 계산에 사용함). 최종 wR2 는 0.0959 (모든 데이터) 였고, R1 은 0.0369 (>2sigma(I)) 였다.
(XVII) 의 단결정을 용매 증발에 의해 이의 클로로포름/시클로헥산 용액에서 성장시켰다. X-선 회절을 흑연-단색화 Cu Kα 방사선 공급원 (1.54178 Å) 을 사용하여 Oxford Supernova 회절계 상에서 측정하였다.
결정 데이터: C96H3Cl27, M = 2113.13, 단사정계, a = 36.715(4)Å, b = 22.1591(12)Å, c = 24.607(3)Å, β = 116.242(14) , V = 17956(3)Å3, T = 173(2)K, 공간 군 C2/c (no. 15), Z = 8, μ(CuKα) = 7.891, 32778 개의 반사가 측정됨, 14891 개가 고유함 (Rint = 0.0532) (이를 모든 계산에 사용함). 최종 wR2 는 0.1681 (모든 데이터) 이었고, R1 은 0.0620 (>2sigma(I)) 이었다.
II. 할로겐화된 구조적으로 정의된 그래핀 나노리본의 제조
구조적으로 정의된 그래핀 나노리본을 도 1 에 제시된 반응식에 따라 제조한 후, 할로겐화할 출발 그래핀 소재로서 사용하였다.
출발 그래핀 나노리본은 약 23'000 Da 의 분자량 및 하기 화학식으로 예시될 수 있는 잘 정의된 구조 (즉, 반복 단위 RU 를 특징으로 하기 때문에, GNR 의 구조는 [RU]n 으로 표시될 수 있음) 를 가지고 있었다:
상기 구조적으로 정의된 그래핀 나노리본 DGNR (Defined Graphene Nano Ribbon) 을 하기 절차에 따라 할로겐화하였다:
100 ml 플라스크에 25 mg 의 GNR, 0.2 mmol (26 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 70 ml 의 CCl4 를 충전한 후, 상기 반응물을 80 ℃ 에서 4 일 동안 교반 및 환류시켰다. 반응 후, 30 ml 에탄올을 첨가하여 반응을 켄칭하였다. 상기 용매를 회전식 증발기를 이용하여 50 ℃ 에서 제거하였다. 그 후, 30 ml 에탄올을 첨가하였다. 5 분 동안 초음파처리한 후, 현탁액을 여과하였다. 침전을 에탄올, 염산 (1.0 mol/L), 탈이온수 및 아세톤으로, 순차적으로 세정하였다. 진공에서 건조시킨 후, 약 33 mg (0.086 mmol) 의 진한 보라색 분말을 수득하였다. 수율은 약 85% 였다.
XPS 스펙트럼을 분말 샘플을 사용하여, Al Kα 단색 공급원이 장착된 ESCALAB 250 (Thermo-VG Scientific) 상에서 측정하였다.
할로겐화된 DGNR 에 대하여 이루어진 IR 스펙트럼 및 XPS 분석은, 할로겐화가 DGNR 의 에지에서 선택적으로 일어나, 에지-결합된 tert-부틸기 및 상기 tert-부틸기에 대하여 오르토-위치에 있는 수소 원자는 할로겐 원자로 치환되었던 반면, "이중-융합 베이 에지 배치" 에 의해 입체구조로 보호된 수소 원자는 치환되지 않은 채로 남아있다는 것을 확인시켜 준다. 출발 그래핀 나노리본과 마찬가지로, 할로겐화된 그래핀 나노리본은 에지-할로겐화된 반복 단위를 특징으로 하는 매우 잘 정의된 구조를 갖는다.
III.
반복 단위를 갖지 않는 할로겐화된 그래핀 나노리본 및 할로겐화된 그래핀의 제조
III.1
에지-할로겐화된 그래핀
그래핀 산화물을 히드라진을 이용하여 환원시켜, 출발 그래핀을 제조하였다.
25 mg 의 그래핀, 0.2 mmol (26 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 50 ml 플라스크에 첨가하였다. 상기 반응물을 80 ℃ 에서 4 일 동안 교반 및 환류시켰다. 반응 후, 30 ml 에탄올을 첨가하여 반응을 켄칭하였다. 5 분 동안 초음파처리한 후, 현탁액을 여과하였다. 침전을 에탄올, 염산 (1.0 mol/L) 및 탈이온수로, 순차적으로 세정하였다.
주사 전자 현미경법은 상기 플레이크의 형태학이 염소화 후에 유지되었다는 것을 확인시켜 주었고, XPS 분석은 방향족 기저면 상에서의 임의의 할로겐화는 억제되었던 반면, 할로겐화가 그래핀의 에지에서 선택적으로 일어났다는 것을 보여주었다.
III.2
반복 단위를 갖지 않는 할로겐화된 그래핀 나노리본
다중벽 탄소 나노튜브를 지퍼열기하여 (unzipping), 출발 그래핀 나노리본 GNR 을 제조하였다. 하향식 접근법을 이용하여, 반복 단위를 갖지 않는 출발 GNR 을 수득하였다.
15 mg 의 GNR, 0.2 mmol (26 mg) 의 AlCl3, 30 mmol (5 g) ICl 및 35 ml 의 CCl4 를 50 ml 플라스크에 첨가하였다. 상기 반응물을 80 ℃ 에서 4 일 동안 교반 및 환류시켰다. 반응 후, 30 ml 에탄올을 첨가하여 반응을 켄칭하였다. 5 분 동안 초음파처리한 후, 현탁액을 여과하였다. 침전을 에탄올, 염산 (1.0 mol/L) 및 탈이온수로, 순차적으로 세정하였다.
주사 전자 현미경법은 상기 나노리본의 형태학이 염소화 후에 유지되었다는 것을 확인시켜 주었고, XPS 분석은 방향족 기저면 상에서의 임의의 할로겐화는 억제되었던 반면, 할로겐화가 그래핀의 에지에서 선택적으로 일어났다는 것을 보여주었다.
IV.
염소화된 그래핀을 사용한 전계 효과 트랜지스터 소자의 제작
단일 시트 FET 소자를 III.1 에서 제조된 염소화된 그래핀으로부터 제작하고, 이를 비(非)염소화된 그래핀을 기반으로 하는 소자와 비교하였다. 두 가지 소자 모두 약 10 cm2V-1s-1 의 유사한 정공 이동도를 나타냈지만, 염소화된 그래핀의 전자 이동도는 1.0 cm2V-1s-1 (비염소화된 그래핀에 대하여) 에서 5.5 cm2V-1s-1 로 증가하였다.
도 2 는 에지-염소화된 그래핀의 단층 FET 소자의 ISD-VG 특성 곡선을 나타낸다.
Claims (18)
- 그래핀 소재의 에지-할로겐화 (edge-halogenation) 방법으로서, 그래핀, 그래핀 나노리본, 그래핀 분자 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 그래핀 소재를, 루이스 산의 존재 하에서 할로겐-공여체 화합물과 반응시켜, 에지-할로겐화된 그래핀 소재를 수득하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 그래핀 소재가 수소, 치환 또는 비치환 알킬기, 치환 또는 비치환 아릴기, 또는 이들의 임의의 조합물로부터 선택되는 에지-결합된 잔기 RE 를 갖는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 그래핀 분자가 8 내지 200 개의 융합 방향족 고리를 갖는 폴리시클릭 방향족 화합물인 방법.
- 제 3 항에 있어서, 그래핀 분자가 하기 화합물 (I) 내지 (VII) 중 하나 이상으로부터 선택되는 방법:
(여기서, 에지-결합된 잔기 RE 는 제 2 항에서와 동일한 의미를 가짐). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 그래핀 나노리본이 50 nm 미만, 더욱 바람직하게는 10 nm 미만의 최대 너비를 갖는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 할로겐-공여체 화합물이 할로겐간 (interhalogen) 화합물, S2Cl2, SOCl2, S2Cl2 및 SOCl2 의 혼합물, SO2Cl2, Cl2, Br2, F2, I2, PCl3, PCl5, POCl3, POCl5, POBr3, N-브로모 숙신이미드, N-클로로 숙신이미드 또는 이들의 임의의 혼합물로부터 선택되는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 할로겐간 화합물이 하기 화학식 (VIII) 를 갖는 화합물인 방법:
XYn (VIII)
[식 중,
n 은 1, 3, 5 또는 7 이고;
X 및 Y 는, 서로 상이하고, F, Cl, Br 및 I 로부터 선택됨]. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 루이스 산이 화학식 (IX) 내지 (XII) 의 화합물로부터 선택되는 방법:
AX3 (IX)
[식 중, A 는 Al, Fe, Sm, Sc, Hf, In, Y 또는 B 이고, X 는 할로겐 (바람직하게는 F, Cl, Br, P) 또는 트리플루오로술포네이트임];
AX5 (X)
[식 중, A 는 P, Sb, Mo 또는 As 이고, X 는 할로겐임];
AX4 (XI)
[식 중, A 는 Ti 또는 Sn 이고, X 는 할로겐임];
AX2 (XII)
[식 중, A 는 Mg, Zn, Cu 또는 Be 이고, X 는 할로겐 또는 트리플루오로술포네이트임]. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자의 에지-결합된 잔기 RE 대 루이스 산의 몰비가 100/1 내지 1/5 의 범위 내이고/이거나; 그래핀, 그래핀 나노리본 또는 그래핀 분자의 에지-결합된 잔기 RE 대 할로겐-공여체 화합물의 몰비가 1/1 내지 1/100 의 범위 내인 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법이 유기 액체 중에서 수행되는 방법.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 수득가능한 할로겐화된 그래핀 소재.
- 방향족 기저면 및 에지를 포함하는 할로겐화된 그래핀 소재로서, 할로겐화된 그래핀 소재의 에지에 공유 결합된 잔기 RE 의 65 mole% 이상은 할로겐 원자 HAE 이고, 상기 에지-결합된 할로겐 원자 HAE 는 할로겐화된 그래핀 소재 중에 존재하는 모든 할로겐 원자의 95 mole% 이상에 해당하고, 여기서 할로겐화된 그래핀 소재는 할로겐화된 그래핀, 할로겐화된 그래핀 나노리본 및 할로겐화된 그래핀 분자로부터 선택되는 할로겐화된 그래핀 소재.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 할로겐화된 그래핀 분자가 하기 화학식 (XIII), (XIV), (XV), (XVI), (XVII), (XVIII) 및 (XIX) 중 하나를 갖는 할로겐화된 그래핀 소재:
.
- 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 할로겐화된 그래핀 나노리본이 50 nm 미만의 최대 너비를 갖고/갖거나, 할로겐화된 그래핀 나노리본 또는 적어도 이의 세그먼트가 [RU]n (여기서, RU 는 반복 단위이고, 2≤n≤2500 임) 로 이루어지는 할로겐화된 그래핀 소재.
- 액체 매질 중에 용해 또는 분산된 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 그래핀 소재를 포함하는 조성물.
- 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 그래핀 소재를 포함하는 반도체 필름을 포함하는 전자, 광학 또는 광전자 소자.
- 제 16 항에 있어서, 소자가 유기 전계 효과 트랜지스터 소자, 유기 광전지 소자 또는 유기 발광 다이오드인 소자.
- 전자, 광학 또는 광전자 소자에서의 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 그래핀 소재의 용도.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201261739736P | 2012-12-20 | 2012-12-20 | |
| US61/739,736 | 2012-12-20 | ||
| PCT/IB2013/060563 WO2014097032A1 (en) | 2012-12-20 | 2013-12-02 | Edge halogenation of graphene materials |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150095749A true KR20150095749A (ko) | 2015-08-21 |
Family
ID=50977703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020157018032A KR20150095749A (ko) | 2012-12-20 | 2013-12-02 | 그래핀 소재의 에지 할로겐화 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20150333124A1 (ko) |
| EP (1) | EP2935097A4 (ko) |
| JP (1) | JP2016510295A (ko) |
| KR (1) | KR20150095749A (ko) |
| CN (1) | CN104854023A (ko) |
| TW (1) | TW201425219A (ko) |
| WO (1) | WO2014097032A1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017119779A1 (ko) * | 2016-01-07 | 2017-07-13 | 주식회사 엘지화학 | 고분자-그래핀 복합체 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 고분자-그래핀 복합체 조성물 |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013189910A1 (en) | 2012-06-22 | 2013-12-27 | Basf Se | Multicomponent crystals comprising imatinib mesilate and selected co-crystal formers |
| AU2014295143B9 (en) | 2013-07-25 | 2017-03-23 | Basf Se | Salts of Dasatinib in amorphous form |
| JP6501773B2 (ja) | 2013-07-25 | 2019-04-17 | ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピアＢａｓｆ Ｓｅ | 結晶形態のダサチニブの塩 |
| WO2016053889A1 (en) * | 2014-10-01 | 2016-04-07 | Graphene Laboratories Inc. | Method for preparation and separation of atomic layer thickness platelets from graphite or other layered materials |
| CN105036121A (zh) * | 2015-07-07 | 2015-11-11 | 哈尔滨工业大学 | 一种增强型石墨烯表面活性剂的制备方法 |
| JP6582759B2 (ja) * | 2015-09-02 | 2019-10-02 | 富士通株式会社 | 電子デバイス及びその製造方法 |
| JP6509086B2 (ja) * | 2015-09-18 | 2019-05-08 | 国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学 | グラフェンナノリボン前駆体製造方法 |
| WO2018043634A1 (ja) * | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 国立大学法人大阪大学 | 自己触媒能を有する炭素系水素貯蔵材料、その製造方法、その化合物を用いる水素の吸蔵方法及び水素の放出方法、及び水素吸蔵用デバイス |
| CN106517156B (zh) * | 2016-11-03 | 2021-02-09 | 长沙理工大学 | 一种磷酸铁锂/石墨烯复合材料的制备方法 |
| WO2019134068A1 (en) * | 2018-01-02 | 2019-07-11 | Beijing Normal University | Triangular carbon quantum dots and compositions and uses thereof |
| CN112661145B (zh) * | 2020-12-24 | 2022-12-30 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种氮掺杂石墨烯及其制备方法和应用 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3716591A (en) * | 1969-03-13 | 1973-02-13 | Phillips Petroleum Co | Olefin halogenation |
| JP2002193681A (ja) * | 2000-12-22 | 2002-07-10 | Asahi Glass Co Ltd | 不定形耐火物およびそれを利用した廃棄物溶融炉 |
| JP2007019086A (ja) * | 2005-07-05 | 2007-01-25 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 有機半導体材料、それを用いた半導体装置及び電界効果トランジスタ |
| KR101336840B1 (ko) * | 2005-09-02 | 2013-12-05 | 도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코 | 활성 탄소 원자의 루이스 산 촉매 할로겐화 |
| JP2009120537A (ja) * | 2007-11-15 | 2009-06-04 | Toyota Central R&D Labs Inc | 無置換グラフェン化合物の合成方法 |
| JP4980437B2 (ja) * | 2010-02-08 | 2012-07-18 | 国立大学法人大阪大学 | フラーレン誘導体とその製造方法、並びにこれを用いたアレルゲン吸着剤 |
| GB201009718D0 (en) * | 2010-06-10 | 2010-07-21 | Univ Manchester | Functionalised graphene |
| CN101920954B (zh) * | 2010-08-03 | 2013-01-23 | 中国科学院化学研究所 | 卤化石墨与卤化石墨烯及其制备方法 |
| JP5753274B2 (ja) * | 2010-12-22 | 2015-07-22 | オーシャンズ キング ライティング サイエンスアンドテクノロジー カンパニー リミテッド | フッ化グラフェンの調製方法 |
-
2013
- 2013-12-02 KR KR1020157018032A patent/KR20150095749A/ko not_active Application Discontinuation
- 2013-12-02 EP EP13864709.4A patent/EP2935097A4/en not_active Withdrawn
- 2013-12-02 US US14/652,514 patent/US20150333124A1/en not_active Abandoned
- 2013-12-02 WO PCT/IB2013/060563 patent/WO2014097032A1/en active Application Filing
- 2013-12-02 CN CN201380065729.0A patent/CN104854023A/zh active Pending
- 2013-12-02 JP JP2015548803A patent/JP2016510295A/ja active Pending
- 2013-12-18 TW TW102147025A patent/TW201425219A/zh unknown
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017119779A1 (ko) * | 2016-01-07 | 2017-07-13 | 주식회사 엘지화학 | 고분자-그래핀 복합체 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 고분자-그래핀 복합체 조성물 |
| US11198752B2 (en) | 2016-01-07 | 2021-12-14 | Lg Chem, Ltd. | Polymer-graphene composite, method for preparing same, and polymer-graphene composite composition using same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201425219A (zh) | 2014-07-01 |
| EP2935097A4 (en) | 2016-06-15 |
| US20150333124A1 (en) | 2015-11-19 |
| JP2016510295A (ja) | 2016-04-07 |
| WO2014097032A1 (en) | 2014-06-26 |
| EP2935097A1 (en) | 2015-10-28 |
| CN104854023A (zh) | 2015-08-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20150095749A (ko) | 그래핀 소재의 에지 할로겐화 | |
| Knirsch et al. | Basal-plane functionalization of chemically exfoliated molybdenum disulfide by diazonium salts | |
| US11479466B2 (en) | Methods for synthesis of graphene derivatives and functional materials from asphaltenes | |
| JP5315240B2 (ja) | カーボン・ナノチューブ及びフラーレンと分子クリップとの錯体とその使用 | |
| Bigdeli et al. | Synthesis ZnO nanoparticles from a new Zinc (II) coordination polymer precursor | |
| TWI568669B (zh) | 用於石墨烯奈米帶之產製的溶劑型方法 | |
| Han et al. | Preparation of uniform Bi2S3 nanorods using xanthate complexes of bismuth (III) | |
| US20110052813A1 (en) | Functionalised graphene oxide | |
| JP6345242B2 (ja) | ディールスアルダー反応によって補助する、グラファイトを含有する炭素質材料を剥離する方法 | |
| JP6307064B2 (ja) | 金属性単層カーボンナノチューブと半導体性単層カーボンナノチューブとの分離方法 | |
| Nakamura et al. | On-surface synthesis of a π-extended diaza [8] circulene | |
| Kato et al. | Two-step synthesis of a red-emissive warped nanographene derivative via a ten-fold C–H borylation | |
| JP5800678B2 (ja) | ナノカーボン水分散体及びその製造方法並びにナノカーボン含有構造体 | |
| Kong et al. | Electron pair repulsion responsible for the peculiar edge effects and surface chemistry of black phosphorus | |
| US9102694B1 (en) | Method for bottom-up graphene sheet preparation and bandgap engineering | |
| Alemi et al. | Synthesis and characterization of Sb2S3 nanorods via complex decomposition approach | |
| US8841465B2 (en) | Method for selective functionalization of single-walled carbon nanotubes | |
| TW201821589A (zh) | 調光材料、調光膜及調光積層體 | |
| Ma et al. | Graphene Nanoribbons from Tetraphenylethene‐Based Polymeric Precursor: Chemical Synthesis and Application in Thin‐Film Field‐Effect Transistor | |
| EP3715322B1 (en) | Graphene nanoribbon precursor and method for producing graphene nanoribbon | |
| Toksabay | Synthesis and on surface self assembly properties of pi extended tribenzotriquinacenes | |
| Moreno Cruz | Diseño, síntesis y evaluación de las propiedades físicas de nanografenos distorsionados que incluyen heptágonos | |
| Dasler | Highly Functional Graphene Architectures Through the Systematic Implementation of Reductive Covalent Adduct Formation | |
| Zheng | Graphene based donor acceptor systems | |
| Yamaguchi et al. | Small bandgap features achieved in atomically precise 17-atom-wide armchair-edged graphene nanoribbons |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |