Injicera kalcium i grafen skapar en supraledare, men var hamnar kalciumet egentligen? Kredit:FLEET
Att lägga till kalcium till en sammansatt grafen-substratstruktur skapar en supraledare med hög övergångstemperatur (Tc).
I en ny studie, ett australiensiskt leddt team har för första gången bekräftat vad som faktiskt händer med dessa kalciumatomer:Överraskande alla, kalcium går under både det övre grafenarket och ett nedre buffertark, flytande grafen på en bädd av kalciumatomer.
Supraledande kalciuminjicerad grafen har ett stort löfte för energieffektiv elektronik och transparent elektronik.
Studerar kalciumdopad grafen:kasta av täcket
Grafens egenskaper kan finjusteras genom injektion av ett annat material (en process som kallas interkalering) antingen under grafenet, eller mellan två grafenark.
Denna injektion av främmande atomer eller molekyler förändrar grafenens elektroniska egenskaper genom att antingen öka dess konduktans, minskande interaktioner med substratet, eller båda.
Injicera kalcium i grafit skapar ett kompositmaterial (kalcium-interkalerad grafit, CaC 6 ) med en relativt hög supraledande övergångstemperatur (T c ). I detta fall, kalciumatomerna ligger slutligen mellan grafenskivor.
Att injicera kalcium i grafen på ett kiselkarbidsubstrat skapar också ett högt T c supraledare, och vi trodde alltid att vi visste var kalcium tog vägen i det här fallet också...
Huvudförfattare Ph.D. elev Jimmy Kotsakidis. Kredit:Skolan för fysik och astronomi, Monash universitet
Grafen på kiselkarbid har två lager av kolatomer:ett grafenlager ovanpå ett annat buffertlager:ett kollager (grafenliknande struktur) som bildas mellan grafenet och kiselkarbidsubstratet under syntesen, och är icke-ledande på grund av att den är delvis bunden till substratytan.
"Föreställ dig att kiselkarbiden är som en madrass med ett inpassat lakan (buffertskiktet förbundet med det) och ett platt lakan (grafenen), " förklarar huvudförfattaren Jimmy Kotsakidis.
Konventionell visdom ansåg att kalcium skulle injicera mellan de två kolskikten (mellan två ark), liknande injektion mellan grafenskikten i grafit. Förvånande, det Monash University-ledda teamet fann att när det injicerades, kalciumatomernas slutdestinationsplats ligger istället mellan buffertskiktet och det underliggande kiselkarbidsubstratet (mellan påslakanet och madrassen!).
"Det var en ganska överraskning för oss när vi insåg att kalciumet binder till substratets kiselyta, det gick verkligen emot vad vi trodde skulle hända, " förklarar Kotsakidis.
Vid injektion, kalcium bryter bindningarna mellan buffertskiktet och substratytan, Således, får buffertskiktet att "flyta" ovanför substratet, skapa en ny, kvasi-fristående tvåskiktsgrafenstruktur (Ca-QFSBLG).
Detta resultat var oväntat, med omfattande tidigare studier som inte beaktade kalciuminterkalering under buffertskiktet. Studien löser således långvarig förvirring och kontroverser angående positionen för det interkalerade kalciumet.
Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS)-mätningar vid den australiensiska synkrotronen kunde fastställa platsen för kalcium nära kiselkarbidytan
Resultaten stöddes också av lågenergielektrondiffraktion (LEED), och scanning tunneling microscopy (STM) mätningar, och genom att modellera med densitetsfunktionsteori (DFT).
Mätningar med STM (visas), XPS och LEED pekade ut platsen för kalcium nära SiC-ytan. Kredit:FLEET
Och magnesium också...
Med denna information till hands, Det australiensiska teamet beslutade också att undersöka om magnesium – som är notoriskt svårt att injicera i grafitstrukturen – kunde infogas (interkaleras) i grafen på ett kiselkarbidsubstrat.
Till forskarnas förvåning, magnesium uppförde sig anmärkningsvärt likt kalcium, och även injiceras mellan grafen och substrat, återigen flytande grafen.
Både magnesium- och kalcium-interkalerad grafen n-typ dopade grafenen, och resulterade i grafen med låg arbetsfunktion, en attraktiv aspekt när man använder grafen som ledande elektrisk kontakt för andra material.
Men till skillnad från kalcium, magnesium-interkalerad grafen förblev stabil i omgivande atmosfär i minst sex timmar, övervinner ett stort tekniskt hinder för alkali- och jordalkali-interkalerad grafen.
"Det faktum att Mg-QFSBLG är ett material med låg arbetsfunktion och n-typ dopar grafenet samtidigt som det förblir ganska stabilt i omgivande atmosfär är ett stort steg i rätt riktning för att implementera dessa nya interkalerade material i tekniska tillämpningar, " förklarar medförfattaren Prof Michael Fuhrer.
"Magnesium-interkalerad grafen kan vara en språngbräda mot upptäckten av andra liknande stabila interkalanter."
Pappret, "Fristående n-dopad grafen via interkalering av kalcium och magnesium i buffertskiktet-SiC(0001)-gränssnittet, " publicerades i Materialkemi i juli 2020.
