Grafiet is een ongelooflijk belangrijk, veelzijdig mineraal, met toepassingen in verschillende industrieën. Omdat grafiet gemakkelijk elektriciteit kan geleiden en hoge temperaturen kan weerstaan, is het vooral belangrijk voor elektronica. Grafiet is een essentieel onderdeel van veel batterijen, waaronder lithium-ionbatterijen, en de vraag neemt alleen maar toe naarmate er nieuwe technologie wordt ontwikkeld.

Zonne-energie en elektronische voertuigen zullen bijvoorbeeld een verhoogde productie van de batterijen en de behoefte aan grafiet vereisen. Hoewel grafiet al tientallen jaren grondig is onderzocht, valt er nog meer te ontdekken voor onderzoekers. Verrassend genoeg hebben tot nu toe geen spectroscopische studies de elektronische toestanden van het oppervlak en de rand van grafiet vanuit microscopisch oogpunt nauwkeurig gemeten. Dit is belangrijk omdat de verbetering van de batterijprestaties grotendeels afhangt van de controle van de kenmerken van het grafiet aan de punt.

In een paper gepubliceerd in Physical Review B , hebben onderzoekers nieuwe waarnemingen van de oppervlaktetoestand van grafiet gedetailleerd met behulp van een nieuw ontwikkelde foto-elektronspectroscopiemachine in combinatie met een elektronenmicroscoop.

"In deze studie rapporteren we de microscopische observatie van drievoudige symmetrische oppervlaktetoestanden van grafiet in combinatie met bulk k_z gedispergeerde π-banden. De bevinding benadrukt de relevantie van het beschouwen van oppervlakte-effecten in bulk intrinsieke elektronische toestandsmetingen", zegt Fumihiko Matsui, een professor aan het Institute for Molecular Science in Okazaki, Japan. "De vraag die we behandelen is:hoe nauwkeurig kunnen we de intrinsieke bulk kz verspreiding?"

Kristallijne structuren zoals grafiet hebben energiebanden in wat bekend staat als een bandstructuur. Naast de inherente bulkbandstructuur is er een speciale elektronische structuur op het oppervlak van het materiaal, die de oppervlaktetoestand wordt genoemd. Macroscopische metingen hebben de neiging om de verschillende fijne structuren op het oppervlak te middelen en niet te herkennen. In het ergste geval kan deze conventionele meettechniek leiden tot het negeren van oppervlaktetoestanden en een verkeerde interpretatie van bulkspecifieke elektronische eigenschappen. Met behulp van een techniek die foto-elektron-momentum-opgeloste spectromicroscopie wordt genoemd, keken onderzoekers naar de elektronische structuren van het grafietoppervlak. Ze waren in staat om te zien hoe de oppervlaktetoestanden interageerden met de bulkbanden en slaagden erin om hoogtestappen van één atoom op een grafietoppervlak af te beelden. Door zowel de oppervlaktetoestand als de bandstructuren van grafiet te begrijpen, kunnen onderzoekers ook de elektrische eigenschappen ervan begrijpen.

Grafiet is een kristallijne vorm van koolstof die is opgebouwd uit vele lagen. Elke afzonderlijke laag grafiet, grafeen genaamd, is gestructureerd in een zeshoekige honingraat. De manier waarop deze lagen op elkaar worden gestapeld, heeft invloed op het type elektronische bandstructuren dat in het grafiet wordt gevonden. "Grafietkristallen met een ABAB-type stapelstructuur zijn zesvoudig symmetrisch rond de z-as, terwijl een oppervlak met één type beëindiging drievoudig symmetrisch is", zei Matsui. Toen onderzoekers keken naar de verspreiding van de k_z band op micrometerschaal, vonden ze dat de combinatie van deze zesvoudige structuur en de drievoudige structuur degeneratie van de π-band elimineerde en de symmetrie werd verminderd.

"In deze studie zijn we erin geslaagd het effect van een dergelijke koppeling te karakteriseren in een oppervlaktegeometrie met gebroken symmetrie", zei Matsui. "De waargenomen bulkdispersie verschilt van de discrete elektronische toestanden van verschillende lagen grafeen, wat betekent dat de meting ook gevoelig is voor de bulk elektronische toestanden van veel dieper dan de gemiddelde vrije padlengte van de uitgezonden elektronen. Bovendien is de k _z dispersiebandbreedte wordt beïnvloed door de koppeling met de elektronische toestand aan het oppervlak, zoals getoond in deze studie. De nauwkeurigheid en resolutie van k_z de bepaling van de dispersiebandbreedte wordt beperkt door de lengte van de elektronenverzwakking, vooral wanneer de oppervlakteresonantietoestand koppelt met de bulk k_z -verspreide band."

Vooruitkijkend is meer theoretisch onderzoek nodig om te begrijpen hoe deze verschillende structuren samenwerken. "Verdere theoretische studies van valentie-foto-elektronenemissie met nauwkeurige aandacht voor het oppervlakte-effect zijn gewenst om de k_z te verduidelijken intensiteitsafhankelijkheid," zei Matsui. + Verken verder

Oppervlaktewetenschapsmethodologie onthult ontspannings- en faalmechanismen van apparaten voor energieopslag