Grafit är ett otroligt viktigt, mångsidigt mineral, med användningsområden som spänner över industrier. Eftersom grafit lätt kan leda elektricitet och tåla höga temperaturer är det särskilt viktigt för elektronik. Grafit är en viktig komponent i många batterier, inklusive litiumjonbatterier, och efterfrågan ökar bara i takt med att ny teknik utvecklas.

Till exempel kommer solenergi och elektroniska fordon att kräva ökad produktion av batterierna och behovet av grafit. Även om grafit har undersökts grundligt i decennier, finns det fortfarande mer för forskare att avslöja. Överraskande nog har inga spektroskopiska studier hittills noggrant mätt ytans och grafitens elektroniska tillstånd ur mikroskopisk synvinkel. Detta är viktigt eftersom förbättringen av batteriprestanda till stor del beror på kontrollen av grafitens egenskaper vid spetsen.

I en artikel publicerad i Physical Review B , har forskare detaljerat nya observationer av grafitens yttillstånd med hjälp av en nyutvecklad fotoelektronspektroskopimaskin kombinerad med elektronmikroskop.

"I den här studien rapporterar vi den mikroskopiska observationen av trefaldiga symmetriska grafityttillstånd i kombination med bulk k_z dispergerade π-band. Fyndet belyser relevansen av att överväga yteffekter i bulk inre elektroniska tillståndsmätningar", säger Fumihiko Matsui, professor vid Institute for Molecular Science i Okazaki, Japan. "Frågan vi tar upp är:hur exakt kan vi mäta den inneboende bulken k_z spridning?"

Kristallina strukturer som grafit har energiband i vad som kallas en bandstruktur. Förutom den inneboende bulkbandstrukturen finns det en speciell elektronisk struktur på materialets yta, som kallas yttillståndet. Makroskopiska mätningar tenderar att vara genomsnittliga och inte känna igen de olika fina strukturerna på ytan. I värsta fall kan denna konventionella mätteknik leda till att yttillstånd ignoreras och att bulkspecifika elektroniska egenskaper misstolkas. Med hjälp av teknik som kallas fotoelektronmomentumupplöst spektromikroskopi, tittade forskare på de elektroniska strukturerna hos grafitytan. De kunde se hur yttillstånden interagerade med bulkbanden och lyckades avbilda enatoms höjdsteg på en grafityta. Att förstå både yttillstånd och bandstrukturer hos grafit kan hjälpa forskare att förstå dess elektriska egenskaper också.

Grafit är en kristallin form av kol som består av många lager. Varje enskilt lager av grafit, kallat grafen, är strukturerat i en hexagonal bikaka. Hur dessa lager staplas ovanpå varandra påverkar vilken typ av elektroniska bandstrukturer som finns i grafiten. "Grafitkristaller med en staplingsstruktur av ABAB-typ är sexfaldigt symmetriska runt z-axeln, medan en yta med en typ av avslutning är trefaldigt symmetrisk", säger Matsui. När forskare tittade på spridningen av k_z bandet i mikrometerskala fann de att kombinationen av denna sexfaldiga struktur och den trefaldiga strukturen eliminerade degenerering av π-bandet och symmetrin reducerades.

"I den här studien har vi lyckats karakterisera effekten av en sådan koppling i en ytgeometri med bruten symmetri", säger Matsui. "Den observerade bulkspridningen skiljer sig från de diskreta elektroniska tillstånden för flera lager av grafen, vilket innebär att mätningen också är känslig för de elektroniska bulktillstånden från mycket djupare än den genomsnittliga fria väglängden för de emitterade elektronerna. Dessutom är k _z spridningsbandbredden påverkas av kopplingen med det elektroniska yttillståndet, som visas i denna studie. Noggrannheten och upplösningen för k_z bestämning av dispersionsbandbredden begränsas av elektrondämpningslängden, speciellt när ytresonanstillståndet kopplas till bulken k_z -spritt band."

Framöver behövs mer teoretisk forskning för att förstå hur dessa olika strukturer samverkar. "Ytterligare teoretiska studier av valensfotoelektronemission med exakt hänsyn till yteffekten är önskvärda för att klargöra k_z intensitetsberoende", sa Matsui. + Utforska vidare

Ytvetenskaplig metod avslöjar avslappnings- och felmekanismer för energilagringsenheter