Immagine microscopica della superficie della grafite e struttura della banda di valenza insieme a modelli di struttura atomica. Credito:Fumihiko Matsui, Institute for Molecular Science di Okazaki, Giappone
La grafite è un minerale incredibilmente importante e versatile, con usi che abbracciano industrie. Poiché la grafite può condurre facilmente l'elettricità e resistere alle alte temperature, è particolarmente importante per l'elettronica. La grafite è un componente essenziale di molte batterie, comprese le batterie agli ioni di litio, e la domanda è in aumento solo con lo sviluppo di nuove tecnologie.
Ad esempio, l'energia solare e i veicoli elettronici richiederanno una maggiore produzione delle batterie e la necessità di grafite. Anche se la grafite è stata studiata a fondo per decenni, i ricercatori hanno ancora molto da scoprire. Sorprendentemente, nessuno studio spettroscopico ha finora misurato accuratamente gli stati elettronici della superficie e del bordo della grafite da un punto di vista microscopico. Questo è importante perché il miglioramento delle prestazioni della batteria dipende in gran parte dal controllo delle caratteristiche della grafite in punta.
In un articolo pubblicato su Physical Review B , i ricercatori hanno dettagliate nuove osservazioni dello stato superficiale della grafite utilizzando una macchina per spettroscopia fotoelettronica di nuova concezione combinata con un microscopio elettronico.
"In questo studio, riportiamo l'osservazione microscopica di stati superficiali di grafite simmetrici tripli accoppiati con massa kz bande π disperse. La scoperta evidenzia l'importanza di considerare gli effetti di superficie nelle misurazioni dello stato elettronico intrinseco di massa", ha affermato Fumihiko Matsui, professore presso l'Institute for Molecular Science di Okazaki, in Giappone. "La domanda che ci poniamo è:quanto possiamo misurare la massa intrinseca kz dispersione?"
Le strutture cristalline come la grafite hanno bande di energia in quella che è nota come struttura a bande. Oltre alla struttura intrinseca della fascia di massa, sulla superficie del materiale è presente una speciale struttura elettronica, chiamata stato superficiale. Le misurazioni macroscopiche tendono a fare la media e a non riconoscere le varie strutture fini sulla superficie. Nel peggiore dei casi, questa tecnica di misurazione convenzionale può portare a ignorare gli stati di superficie e a interpretare erroneamente le proprietà elettroniche specifiche della massa. Usando una tecnica chiamata spettro-microscopia risolta in quantità di moto fotoelettronica, i ricercatori hanno esaminato le strutture elettroniche della superficie della grafite. Sono stati in grado di vedere come gli stati di superficie interagivano con le bande di massa e sono riusciti a visualizzare i gradini di altezza di un singolo atomo su una superficie di grafite. Comprendere sia lo stato superficiale che le strutture a bande della grafite può aiutare i ricercatori a comprenderne anche le proprietà elettriche.
La grafite è una forma cristallina di carbonio composta da molti strati. Ogni singolo strato di grafite, chiamato grafene, è strutturato in un nido d'ape esagonale. Il modo in cui questi strati si impilano l'uno sull'altro influisce sul tipo di strutture a bande elettroniche che si trovano nella grafite. "I cristalli di grafite con una struttura impilabile di tipo ABAB sono sei volte simmetrici attorno all'asse z, mentre una superficie con un tipo di terminazione è tre volte simmetrica", ha affermato Matsui. Quando i ricercatori hanno esaminato la dispersione del kz banda su scala micrometrica, hanno scoperto che la combinazione di questa struttura a sei volte e la struttura a tre volte eliminava la degenerazione della banda π e la simmetria era ridotta.
"In questo studio, siamo riusciti a caratterizzare l'effetto di un tale accoppiamento in una geometria di superficie con simmetria rotta", ha affermato Matsui. "La dispersione di massa osservata differisce dagli stati elettronici discreti di diversi strati di grafene, il che significa che la misurazione è anche sensibile agli stati elettronici di massa molto più profondi della lunghezza media del percorso libero degli elettroni emessi. Inoltre, il k z la larghezza di banda di dispersione è influenzata dall'accoppiamento con lo stato elettronico di superficie, come mostrato in questo studio. La precisione e la risoluzione di kz la determinazione della larghezza di banda di dispersione è limitata dalla lunghezza di attenuazione degli elettroni, specialmente quando lo stato di risonanza superficiale si accoppia con la massa kz -banda dispersa."
Guardando al futuro, sono necessarie ulteriori ricerche teoriche per capire come queste diverse strutture lavorano insieme. "Sono necessari ulteriori studi teorici sull'emissione di fotoelettroni di valenza con una considerazione precisa dell'effetto superficiale al fine di chiarire il kz dipendenza dall'intensità", ha affermato Matsui. + Esplora ulteriormente
