X-ray Raman scattering study of fluorinated graphites

Fluorinated graphites (CxF)n are an interesting family of materials for both fundamental and technological reasons. They are 3D-structures where the fluorine atoms are located above and below the graphite planes, alternating in different ways and presenting different type of interactions. Fluorinated Graphites are found in many applications in technology such as cathode materials in lithium batteries, in energy applications in which high energy density is required and as lubricants. These materials have been studied since the beginning of the XX century with various techniques, but the precise crystal structure, the nature of the C-F bond and the C sp2 - sp3 transition upon fluorination or physical compression are still unclear. The aim of this work is to apply X-ray Raman Scattering (XRS) to get a deeper insight on the evolution of the electronic and local atomic structure of these materials by changing the stoichiometry or by applying an external pressure. XRS is a non-resonant inelastic X-ray scattering technique that gives the unoccupied electronic density of state, giving an information comparable with X-Ray Absorption spectroscopy (XAS). In addition, the use of hard X-rays gives a real bulk sensitivity and allows to perform experiments in embedded conditions. We focused on the C and the F K-edge, at different stoichiometric quantity of F. In addition, we studied the effect of the application of static compression as a tool for tuning the electronic properties and promote the formation of new metastable phases, employing sapphire anvil cells up to a pressure of 10 GPa. Experimental data will be presented and discussed. In particular a critical comparison with previous XAS results will be given, together with details on the on-going works and future perspectives for completing the study on these materials.

Le grafiti fluorurate (CFx)n sono una famiglia di materiali che trova interessanti applicazioni sia in ambito fondamentale che in quello tecnologico, come ad esempio nel campo delle batterie al litio, in applicazioni energetiche dove è richiesta un’elevata densità di energia e dei lubrificanti. Sono caratterizzate da una struttura grafitica 3D con atomi di fluoro legati ai piani grafitici. Le grafiti fluorurate sono state studiati sin dall’inizio del XX secolo con varie tecniche, ma l’esatta struttura cristallina, la natura del legame C-F e la transizione sp2-sp3 del carbonio – che avviene all’aumentare del contenuto in fluoro o di una pressione esterna applicata – non sono ancora chiare. Lo scopo di questo lavoro è applicare la spettroscopia Raman a raggi X (XRS) per meglio comprendere l’evoluzione della struttura elettronica e atomica locale di questi materiali, sia al variare della stechiometria, sia applicando una pressione fisica. XRS è una tecnica di scattering a Raggi X inelastica e non risonante che permette di accedere alla densità elettronica degli stati non occupati, dando quindi un’informazione comparabile a quella ottenuta con la spettroscopia di assorbimento a raggi X (XAS). Inoltre, in XRS l’uso di raggi X duri nello studio di soglie leggere permette di esplorare il bulk del campione e di fare esperimenti in sistemi complessi, come le celle ad alta pressione. Ci siamo concentrati sulla banda K del carbonio e del fluoro, a differenti quantità stechiometriche di F. Inoltre, abbiamo studiato l’effetto dell’applicazione di una compressione statica come strumento per modificare le proprietà elettroniche e promuovere la formazione di fasi metastabili, utilizzando una cella ad incudini di zaffiro fino ad una pressione di circa 10 GPa. In questo manoscritto saranno presentati e discussi i dati sperimentali, insieme a una comparazione critica con precedenti dati XAS. Infine, verranno presentati i dettagli sugli esperimenti in corso e su quelli futuri per completare lo studio di questi materiali.