Микроскопическое изображение поверхности графита и структура валентной зоны вместе с моделями атомной структуры. Авторы и права: Фумихико Мацуи, Институт молекулярных наук в Окадзаки, Япония.

Графит — невероятно важный универсальный минерал, который можно использовать во многих отраслях. Поскольку графит легко проводит электричество и выдерживает высокие температуры, он особенно важен для электроники. Графит является важным компонентом многих батарей, в том числе литий-ионных, и спрос на него только растет по мере развития новых технологий.

Например, солнечная энергия и электронные транспортные средства потребуют увеличения производства аккумуляторов и потребности в графите . Несмотря на то, что графит тщательно изучался в течение десятилетий, исследователям еще многое предстоит открыть. Удивительно, но ни одно спектроскопическое исследование до сих пор не позволило точно измерить электронные состояния поверхности и края графита с микроскопической точки зрения. Это важно, поскольку улучшение характеристик батареи во многом зависит от контроля характеристик графита на наконечнике.

В статье, опубликованной в журнале Physical Review B, исследователи подробно описали новые наблюдения за состоянием поверхности графита, используя недавно разработанный прибор для фотоэлектронной спектроскопии в сочетании с электронным микроскопом.

«В этом исследовании мы сообщаем о микроскопическом наблюдении трехкратно симметричных поверхностных состояний графита в сочетании с объемными k z рассеянными π-полосами. Это открытие подчеркивает актуальность учета поверхностных эффектов при измерении объемного собственного электронного состояния», — сказал Фумихико Мацуи, профессор в Институте молекулярных наук в Окадзаки, Япония. «Вопрос, который мы решаем, заключается в следующем: насколько точно мы можем измерить внутреннюю объемную дисперсию k _z ?»

Кристаллические структуры, такие как графит, имеют энергетические полосы в так называемой зонной структуре. Помимо присущей объемной зонной структуры на поверхности материала существует особая электронная структура, называемая поверхностным состоянием. Макроскопические измерения имеют тенденцию усреднять и не распознавать различные тонкие структуры на поверхности. В худшем случае этот традиционный метод измерения может привести к игнорированию поверхностных состояний и неправильной интерпретации электронных свойств, характерных для объема. Используя технику, называемую фотоэлектронной спектромикроскопией с импульсным разрешением, исследователи изучили электронные структуры поверхности графита. Они смогли увидеть, как поверхностные состояния взаимодействуют с объемными полосами, и им удалось отобразить ступени высотой в один атом на поверхности графита. Понимание как поверхностного состояния, так и зонной структуры графита может помочь исследователям также понять его электрические свойства.

Графит — это кристаллическая форма углерода, состоящая из множества слоев. Каждый отдельный слой графита, называемый графеном, структурирован в виде шестиугольных сот. То, как эти слои накладываются друг на друга, влияет на тип электронных зонных структур, обнаруженных в графите. «Кристаллы графита со структурой укладки типа ABAB имеют шестикратную симметрию вокруг оси z, тогда как поверхность с одним типом окончания имеет трехкратную симметрию», — сказал Мацуи. Когда исследователи изучили дисперсию полосы k _z в микрометровом масштабе, они обнаружили, что комбинация этой шестикратной и трехкратной структур устраняет вырождение полосы π и снижает симметрию.

«В этом исследовании нам удалось охарактеризовать эффект такой связи в геометрии поверхности с нарушенной симметрией», — сказал Мацуи. «Наблюдаемая объемная дисперсия отличается от дискретных электронных состояний нескольких слоев графена, а это означает, что измерение также чувствительно к объемным электронным состояниям на гораздо большей глубине, чем длина свободного пробега испускаемых электронов зависит от связи с поверхностным электронным состоянием, как показано в этом исследовании.Точность и разрешение определения ширины полосы k _z дисперсии ограничены длиной затухания электронов, особенно когда состояние поверхностного резонанса связано с объемной полосой k _z -дисперсии ."

Забегая вперед, необходимо больше теоретических исследований, чтобы понять, как эти различные структуры работают вместе. «Желательны дальнейшие теоретические исследования эмиссии валентных фотоэлектронов с точным учетом поверхностного эффекта, чтобы прояснить зависимость интенсивности k _z », — сказал Мацуи.