They found that the reaction occurs much more readily on single-crystal graphene on Cu(111) such that uniform functionalization of single-crystal graphene islands, and separately of completely grown continuous single-crystal graphene films, could be obtained. The extent of reaction is even higher than for graphene transferred onto silicon wafers having an oxide layer, a well-studied platform with relatively high reactivities. In contrast, graphene islands and continuous films grown on Cu(100) and polycrystalline Cu foils reacted to a much smaller extent. It was learned in the study that the size of the graphene islands on the Cu(111) has no influence on the functionalization, as further demonstrated by the similar efficiency of functionalization for continuous single-layer graphene films on Cu(111); this strongly implies that the reaction selectively takes place on the topside of graphene.
Based on a series of Raman spectroscopy studies along with other experimental techniques and theoretical calculations, the noticeable strong difference of graphene’s reactivity on Cu substrates of different surface crystal orientations is because the graphene is under compressive strain that is significantly larger (its biaxial strain is about 0.3%) on Cu(111) owing to lattice-induced friction between the epitaxial graphene and Cu(111). Such a friction, previously presented by collaborator Prof. Feng Ding, leader of the IBS CMCM Theory Group, is much smaller for graphene on other surface-oriented Cu foils, in which compressive strain is largely released (it is less than < 0.1%) by local deadhesion (the friction is too small!) and thus “graphene wrinkles” are formed.
The scientists also investigated the covalent functionalization of bilayer graphene on Cu(111). The reactivity of bilayer graphene is influenced by the stacking mode of the two graphene layers. “Mis-oriented graphene” is more easily functionalized than graphene with no lattice rotation (“AB-stacked”). The team learned that the mis-oriented bilayer graphene also has a higher compressive strain than AB-stacked bilayer graphene, suggesting that the compressive strain may also influence the reactivity of bilayer graphene.
Director Ruoff said, “For some applications, large-area single-crystal graphene, which can now be readily grown on our large-area Cu(111) foils, is likely superior to polycrystalline graphene grown on polycrystalline Cu foils. Our findings about the effect of Cu surface orientation on the covalent chemistry of graphene sheds light on the fundamental chemistry of single-crystal graphene and the role that compressive strain can play in some reactions, which could find many applications; one reason that this might be immediately useful, is that the continuous single-crystal graphene films are “automatically” under compressive strain when removed from the CVD growth chamber—and that compressive stress at the interface between the single crystal copper surface and the single crystal graphene—provides a chemical driving force for reacting the top surface—the exposed surface—of the graphene.” This research was supported by the Institute for Basic Science and has been published in the journal Chemistry of Materials: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b01729
기초과학연구원(IBS, 원장 대행 김영덕) 다차원 탄소재료 연구단 로드니 루오프 단장(UNIST 자연과학부 특훈교수) 연구팀은 울산과학기술원(UNIST)과 공동으로 스트레스1)가 그래핀에 기능기2)를 더하는 반응을 촉진시킨다는 연구결과를 발표했다.
탄소가 육각형 벌집 구조로 이어진 얇은 탄소막인 그래핀은 우수한 물리적·화학적 성질 덕분에 차세대 소재로 각광받는다. 더 나아가 그래핀에 각종 기능기를 추가(기능화 반응)하면 물리화학적 성질을 변화시켜 다재다능한 소재로 만들 수도 있다. 하지만 아직까지 그래핀의 기능화 반응을 촉진하는 명확한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.
연구진은 그래핀 합성에 주로 사용되는 구리 기판의 표면 결정구조가 기능화반응에 영향을 준다는 사실을 밝혀냈다. 결정구조는 기판을 구성하는 구리 원자들이 배열한 형태를 말한다. 결정구조가 같더라도 단면의 방향에 따라 표면의 결정구조가 달라진다. 수박을 가로로 잘랐을 때와 세로로 잘랐을 때 표면이 다른 것과 마찬가지로, 똑같은 구리라도 결정구조 단면에 따라 구리(001), 구리(110), 구리(111) 등으로 구분된다.
연구진은 결정구조가 다른 세 종류의 구리 기판 위에서 그래핀의 기능화반응을 진행했다. 그 결과 구리(111)를 기판으로 사용했을 때가 가장 기능화 반응이 빠르고 균일하게 진행됨을 확인했다. 그 이유는 구리(111) 표면에서 성장한 그래핀이 가장 스트레스를 많이 받기 때문인 것으로 분석됐다.
연구진은 합성과정에서 그래핀이 스트레스를 받으면 압축변형이 잘 일어나고, 압축변형률이 클수록 반응에 필요한 추가 에너지가 적어지기 때문에 반응이 더 쉽게 일어나는 것이라고 설명했다. 구리 기판 위에서 스트레스를 받으며 성장했지만, 기능화 반응에서는 스트레스의 덕을 본다는 의미다. 한편, 열을 가해 기능기를 제거했을 때는 그래핀의 압축변형률이 원래대로 돌아오는 현상도 확인했다.
루오프 단장은 “단결정 그래핀에서 스트레스로 인한 압축변형이 그래핀의 반응성에 영향을 준다는 점을 규명한 뜻깊은 연구”라며 “이번에 발견한 원리를 이용하면 기존보다 쉽게 그래핀의 성질을 조절해, 다양한 기능성을 갖춘 그래핀을 제조할 수 있다”고 말했다.
이번 연구결과는 재료화학분야 국제 학술지인 ‘케미스트리 오브 머터리얼스(Chemistry of Materials)’ 10월 17일자 온라인 판에 실렸다.