Flydende grafen på et ark af calciumatomer

Tilføjelse af calcium til en sammensat grafen-substratstruktur skaber en superleder med høj overgangstemperatur (Tc).

I en ny undersøgelse, et australsk ledet hold har for første gang bekræftet, hvad der rent faktisk sker med disse calciumatomer:Overraskende alle, calcium går under både det øvre grafenark og et nedre bufferark, svævende grafen på et leje af calciumatomer.

Superledende calcium-injiceret grafen har store løfter om energieffektiv elektronik og transparent elektronik.

At studere calcium-doteret grafen:at smide dynen

Grafens egenskaber kan finjusteres ved injektion af et andet materiale (en proces kendt som intercalation) enten under grafenet, eller mellem to grafenplader.

Denne injektion af fremmede atomer eller molekyler ændrer grafenens elektroniske egenskaber ved enten at øge dens ledningsevne, faldende interaktioner med substratet, eller begge.

Injektion af calcium i grafit skaber et kompositmateriale (calcium-interkaleret grafit, CaC ₆ ) med en relativt høj superledende overgangstemperatur (T _c ). I dette tilfælde, calciumatomerne ligger i sidste ende mellem grafenplader.

Injektion af calcium i grafen på et siliciumcarbidsubstrat skaber også et højt T _c superleder, og vi troede altid, at vi vidste, hvor calcium blev af i dette tilfælde også...

Grafen på siliciumcarbid har to lag af kulstofatomer:et grafenlag oven på et andet bufferlag:et kulstoflag (grafenlignende i strukturen), der dannes mellem grafenet og siliciumcarbidsubstratet under syntesen, og er ikke-ledende på grund af at være delvist bundet til substratoverfladen.

"Forestil dig, at siliciumcarbid er som en madras med et lagnet (bufferlaget bundet til det) og et fladt lag (grafen), " forklarer hovedforfatteren Jimmy Kotsakidis.

Konventionel visdom mente, at calcium skulle injicere mellem de to kulstoflag (mellem to plader), svarende til injektion mellem grafenlagene i grafit. Overraskende nok, det Monash University-ledede hold fandt ud af, at når de blev injiceret, kalciumatomernes endelige destinationsplacering ligger i stedet mellem bufferlag og det underliggende siliciumcarbidsubstrat (mellem dæklaget og madrassen!).

"Det var noget af en overraskelse for os, da vi indså, at calcium binder sig til siliciumoverfladen af ​​substratet, det gik virkelig imod, hvad vi troede ville ske, " forklarer Kotsakidis.

Ved injektion, calcium bryder bindingerne mellem bufferlaget og substratoverfladen, dermed, får bufferlaget til at 'flyde' over underlaget, skabe en ny, kvasi-fritstående tolags grafenstruktur (Ca-QFSBLG).

Dette resultat var uventet, med omfattende tidligere undersøgelser, der ikke overvejede calciuminterkalation under bufferlaget. Undersøgelsen løser således langvarig forvirring og kontrovers vedrørende placeringen af ​​det interkalerede calcium.

Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) målinger ved den australske synkrotron var i stand til at lokalisere lokaliteten af ​​calcium tæt på siliciumcarbidoverfladen

Resultater blev også understøttet af lavenergi elektrondiffraktion (LEED), og scanning tunneling mikroskopi (STM) målinger, og ved at modellere ved hjælp af tæthedsfunktionel teori (DFT).

Og magnesium også...

Med disse oplysninger ved hånden, Det australske hold besluttede også at undersøge, om magnesium – som er notorisk svært at injicere i grafitstrukturen – kunne indsættes (interkaleres) i grafen på et siliciumcarbidsubstrat.

Til forskernes overraskelse, magnesium opførte sig bemærkelsesværdigt på samme måde som calcium, og også injiceret mellem grafen og substrat, igen svævende grafen.

Både magnesium- og calcium-interkaleret grafen n-type dopede grafenen, og resulterede i grafen med lav arbejdsfunktion, et attraktivt aspekt ved brug af grafen som ledende elektrisk kontakt til andre materialer.

Men i modsætning til calcium, magnesium-interkaleret grafen forblev stabil i den omgivende atmosfære i mindst seks timer, overvinde en stor teknisk hindring for alkali- og jordalkali-interkaleret grafen.

"Det faktum, at Mg-QFSBLG er et materiale med lav arbejdsfunktion og n-type doper grafenet, mens det forbliver ret stabilt i den omgivende atmosfære, er et stort skridt i den rigtige retning for at implementere disse nye interkalerede materialer i teknologiske applikationer, " forklarer medforfatter Prof Michael Fuhrer.

"Magnesium-interkaleret grafen kunne være et springbræt mod opdagelse af andre lignende stabile interkalanter."

Papiret, "Fristående n-dopet grafen via interkalation af calcium og magnesium i bufferlaget-SiC(0001)-grænsefladen, " blev offentliggjort i Materialernes kemi i juli 2020.