Ny forskning fremmer forståelsen af ​​grafittens elektroniske struktur

Grafit er et utrolig vigtigt, alsidigt mineral, med anvendelser, der spænder over industrier. Fordi grafit nemt kan lede elektricitet og modstå høje temperaturer, er det især vigtigt for elektronik. Grafit er en væsentlig komponent i mange batterier, herunder lithium-ion-batterier, og efterspørgslen er kun stigende i takt med at ny teknologi udvikles.

For eksempel vil solenergi og elektroniske køretøjer kræve øget produktion af batterierne og behovet for grafit. Selvom grafit er blevet grundigt undersøgt i årtier, er der stadig mere for forskere at afdække. Overraskende nok har ingen spektroskopiske undersøgelser indtil videre målt de elektroniske tilstande af overfladen og grafittens kant fra et mikroskopisk synspunkt. Dette er vigtigt, fordi forbedringen af ​​batteriets ydeevne i høj grad afhænger af kontrollen af ​​grafittens egenskaber ved spidsen.

I et papir offentliggjort i Physical Review B , har forskere detaljeret nye observationer af overfladetilstanden af ​​grafit ved hjælp af en nyudviklet fotoelektronspektroskopimaskine kombineret med elektronmikroskop.

"I denne undersøgelse rapporterer vi den mikroskopiske observation af tre gange symmetriske grafitoverfladetilstande kombineret med bulk k_z spredte π-bånd. Fundet fremhæver relevansen af ​​at overveje overfladeeffekter i bulk iboende elektroniske tilstandsmålinger," sagde Fumihiko Matsui, professor ved Institute for Molecular Science i Okazaki, Japan. "Spørgsmålet, vi tager fat på, er:hvor nøjagtige kan vi måle den iboende bulk k_z spredning?"

Krystallinske strukturer som grafit har energibånd i det, der er kendt som en båndstruktur. Ud over den iboende bulkbåndstruktur er der en særlig elektronisk struktur på materialets overflade, som kaldes overfladetilstanden. Makroskopiske målinger har en tendens til at gennemsnit og ikke genkende de forskellige fine strukturer på overfladen. I værste fald kan denne konventionelle måleteknik føre til ignorering af overfladetilstande og fejlfortolkning af bulkspecifikke elektroniske egenskaber. Ved hjælp af teknik kaldet fotoelektronmomentum-opløst spektro-mikroskopi, så forskere på de elektroniske strukturer af grafitoverfladen. De var i stand til at se, hvordan overfladetilstandene interagerede med bulkbåndene og lykkedes med at afbilde enkeltatomhøjdetrin på en grafitoverflade. At forstå både overfladetilstand og båndstrukturer af grafit kan hjælpe forskere med at forstå dets elektriske egenskaber også.

Grafit er en krystallinsk form for kulstof, der består af mange lag. Hvert enkelt lag af grafit, kaldet grafen, er struktureret i en sekskantet honeycomb. Den måde, hvorpå disse lag stables oven på hinanden, påvirker typen af ​​elektroniske båndstrukturer, der findes i grafitten. "Grafitkrystaller med en stabelstruktur af ABAB-typen er seks gange symmetriske omkring z-aksen, hvorimod en overflade med en type terminering er tredobbelt symmetrisk," sagde Matsui. Da forskere så på spredningen af ​​k_z bånd på mikrometer-skala, fandt de ud af, at kombinationen af ​​denne seks-foldede struktur og den tre-foldede struktur eliminerede degeneration af π-båndet, og symmetrien blev reduceret.

"I denne undersøgelse er det lykkedes os at karakterisere effekten af ​​en sådan kobling i en overfladegeometri med brudt symmetri," sagde Matsui. "Den observerede bulk-spredning adskiller sig fra de diskrete elektroniske tilstande af flere lag af grafen, hvilket betyder, at målingen også er følsom over for bulk-elektroniske tilstande fra meget dybere end den gennemsnitlige frie vejlængde for de udsendte elektroner. Desuden er k _z dispersionsbåndbredden påvirkes af koblingen med overfladeelektroniske tilstand, som vist i denne undersøgelse. Nøjagtigheden og opløsningen af ​​k_z Dispersionsbåndbreddebestemmelse er begrænset af elektrondæmpningslængden, især når overfladeresonanstilstanden kobles med bulk k_z -spredt bånd."

Når man ser fremad, er der behov for mere teoretisk forskning for at forstå, hvordan disse forskellige strukturer fungerer sammen. "Yderligere teoretiske undersøgelser af valensfotoelektronemission med præcise overvejelser om overfladeeffekten ønskes for at afklare k_z intensitetsafhængighed," sagde Matsui. + Udforsk yderligere

Overfladevidenskabsmetodologi afslører afslapnings- og fejlmekanismer for energilagringsenheder