L'iniezione di calcio nel grafene crea un superconduttore, ma dove finisce effettivamente il calcio? Credito:FLEET
L'aggiunta di calcio a una struttura composita di substrato di grafene crea un superconduttore ad alta temperatura di transizione (Tc).
In un nuovo studio, un team guidato dall'Australia ha per la prima volta confermato ciò che accade effettivamente a quegli atomi di calcio:Sorprendendo tutti, il calcio va al di sotto sia del foglio di grafene superiore che di un foglio tampone inferiore, facendo galleggiare il grafene su un letto di atomi di calcio.
Il grafene a iniezione di calcio superconduttore è molto promettente per l'elettronica ad alta efficienza energetica e l'elettronica trasparente.
Studiare il grafene drogato con calcio:buttare via il piumone
Le proprietà del grafene possono essere perfezionate mediante iniezione di un altro materiale (un processo noto come intercalazione) sia sotto il grafene, o tra due fogli di grafene.
Questa iniezione di atomi o molecole estranei altera le proprietà elettroniche del grafene aumentandone la conduttanza, diminuzione delle interazioni con il substrato, o entrambi.
L'iniezione di calcio nella grafite crea un materiale composito (grafite intercalata di calcio, CaC 6 ) con una temperatura di transizione superconduttiva relativamente alta (T C ). In questo caso, gli atomi di calcio alla fine risiedono tra i fogli di grafene.
Anche l'iniezione di calcio nel grafene su un substrato di carburo di silicio crea un'elevata T C superconduttore, e abbiamo sempre pensato di sapere dove è andato a finire il calcio anche in questo caso…
Autore principale Ph.D. studente Jimmy Kotsakidis. Credito:Scuola di Fisica e Astronomia, Università di Monash
Il grafene su carburo di silicio ha due strati di atomi di carbonio:uno strato di grafene sopra un altro strato tampone:uno strato di carbonio (struttura simile al grafene) che si forma tra il grafene e il substrato di carburo di silicio durante la sintesi, ed è non conduttivo perché è parzialmente legato alla superficie del substrato.
"Immaginate che il carburo di silicio sia come un materasso con un lenzuolo con angoli (lo strato tampone legato ad esso) e un lenzuolo piatto (il grafene), " spiega l'autore principale Jimmy Kotsakidis.
La saggezza convenzionale riteneva che il calcio dovesse iniettarsi tra i due strati di carbonio (tra due fogli), simile all'iniezione tra gli strati di grafene in grafite. Sorprendentemente, il team guidato dalla Monash University ha scoperto che quando iniettato, la posizione di destinazione finale degli atomi di calcio si trova invece tra lo strato tampone e il sottostante substrato di carburo di silicio (tra il lenzuolo con angoli e il materasso!).
"È stata una vera sorpresa per noi quando ci siamo resi conto che il calcio si stava legando alla superficie di silicio del substrato, è andato davvero contro quello che pensavamo sarebbe successo, " spiega Kotsakidis.
All'iniezione, il calcio rompe i legami tra lo strato tampone e la superficie del substrato, così, facendo sì che lo strato tampone "galleggi" sopra il substrato, creando un nuovo, struttura di grafene a doppio strato quasi autoportante (Ca-QFSBLG).
Questo risultato non era previsto, con ampi studi precedenti che non consideravano l'intercalazione del calcio sotto lo strato tampone. Lo studio risolve così la confusione e la controversia di vecchia data sulla posizione del calcio intercalato.
Le misurazioni della spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) al sincrotrone australiano sono state in grado di individuare la posizione del calcio vicino alla superficie del carburo di silicio
I risultati sono stati supportati anche dalla diffrazione elettronica a bassa energia (LEED), e misurazioni di microscopia a effetto tunnel (STM), e modellando utilizzando la teoria del funzionale della densità (DFT).
Misure di STM (mostrato), XPS e LEED hanno individuato la posizione del calcio vicino alla superficie del SiC. Credito:FLEET
E anche il magnesio...
Con queste informazioni a portata di mano, il team australiano ha anche deciso di indagare se il magnesio, notoriamente difficile da iniettare nella struttura della grafite, potesse essere inserito (intercalato) nel grafene su un substrato di carburo di silicio.
Con grande sorpresa dei ricercatori, il magnesio si è comportato in modo molto simile al calcio, e anche iniettato tra il grafene e il substrato, di nuovo galleggiare il grafene.
Sia il grafene di tipo n intercalato di magnesio che quello di calcio hanno drogato il grafene, e ha portato a un grafene a bassa funzione lavorativa, un aspetto interessante quando si utilizza il grafene come contatto elettrico conduttore per altri materiali.
Ma a differenza del calcio, il grafene intercalato di magnesio è rimasto stabile nell'atmosfera ambientale per almeno sei ore, superare un importante ostacolo tecnico per il grafene intercalato alcalino e alcalino-terroso.
"Il fatto che Mg-QFSBLG sia un materiale a bassa funzione di lavoro e di tipo n droga il grafene pur rimanendo abbastanza stabile nell'atmosfera ambientale è un enorme passo avanti nella giusta direzione per l'implementazione di questi nuovi materiali intercalati nelle applicazioni tecnologiche, " spiega il co-autore Prof Michael Fuhrer.
"Il grafene intercalato di magnesio potrebbe essere un trampolino di lancio verso la scoperta di altri intercalanti simili stabili".
La carta, "Grafene drogato n indipendente tramite intercalazione di calcio e magnesio nell'interfaccia Buffer Layer-SiC (0001), " è stato pubblicato in Chimica dei materiali nel luglio 2020.
