Mejorar la comprensión de los investigadores sobre la estructura electrónica del grafito

investigadores de Instituto de Ciencias Moleculares en Okazakinos esforzamos por comprender la estructura electrónica del grafito mediante el análisis de su estado superficial utilizando un instrumento espectroscópico optoelectrónico recientemente desarrollado combinado con un microscopio electrónico.

El grafito es un mineral muy importante y versátil, que abarca muchas industrias diferentes. Debido a que el grafito puede conducir fácilmente la electricidad y soportar altas temperaturas, es especialmente importante para la electrónica. El grafito es un componente esencial de Baterías de iones de litioY la demanda solo aumenta con el desarrollo de nuevas tecnologías. Por ejemplo, la energía solar y los vehículos electrónicos requerirán una mayor producción de baterías y la necesidad de grafito seguirá aumentando.

Aunque el grafito se ha investigado meticulosamente durante décadas, los investigadores aún tienen más por descubrir. Sorprendentemente, los estudios espectroscópicos no midieron con precisión los estados electrónicos de la superficie y el borde del grafito desde un punto de vista microscópico. Esto es importante porque la mejora en el rendimiento de la batería depende en gran medida del control de las propiedades del grafito en la punta.

En un artículo de investigación publicado el 21 de junio de 2022 en revisión física bEn este artículo, los investigadores detallaron nuevas observaciones del estado de la superficie del grafito utilizando una máquina de espectroscopia de fotoelectrones recientemente desarrollada combinada con un microscopio electrónico.

Análisis de la estructura electrónica del grafito.

“En este estudio, informamos sobre microesferas Observación de estados de superficie de grafito triple simétrico junto con volumen kz dispersión de bandas π. Fumihiko Matsui, profesor del Instituto de Ciencias Moleculares en Okazaki, Japón, dijo que los resultados resaltan la importancia de observar los efectos superficiales en las mediciones del estado electrónico intrínseco. La pregunta que abordamos es: ¿Qué tan precisa es la medición de la masa intrínseca? kz ¿dispersión?»

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Las estructuras cristalinas como el grafito tienen bandas de energía en lo que se conoce como estructura de banda. Además de la estructura de banda a granel inherente, existe una estructura electrónica especial en la superficie del material, que se denomina estado superficial. Las mediciones macroscópicas tienden a no reconocer las diversas microestructuras en la superficie.

Micrografía de superficie de grafito y estructura de banda de valencia junto con modelos de estructura atómica: Fumihiko Matsui, Instituto de Ciencias Moleculares en Okazaki, Japón.

Espectroscopia microscópica de la solución de momento fotoeléctrico.

En el peor de los casos, esta técnica de medición convencional puede llevar al desprecio de los estados superficiales ya la interpretación errónea de las propiedades electrónicas de grandes cantidades. Usando una técnica llamada espectroscopia de resolución de momento fotoelectroquímico, los investigadores examinaron las estructuras electrónicas de la superficie de grafito. A través de esto, pudieron ver cómo los estados de la superficie interactuaban con las escalas grandes y lograron obtener imágenes de pasos de altura de un solo átomo en la superficie de grafito. Comprender tanto el estado de la superficie como las estructuras de bandas del grafito puede ayudar a los investigadores a comprender también sus propiedades eléctricas.

El grafito es una forma cristalina de carbono compuesta de varias capas. Cada capa individual de grafito, llamada grafeno, está organizada en forma de panal hexagonal. La forma en que estas capas se apilan una encima de la otra afecta el tipo de estructuras de bandas electrónicas presentes en el grafito.

‘Cristales de grafito con ABAB-Tipo de estructura de apilamiento de seis pliegues simétrica alrededor eje Zmientras que una superficie con un tipo de terminación es tres veces simétrica», explicó Matsui. Cuando los investigadores observaron la dispersión de kz En la escala micrométrica, descubrieron que la combinación de esta estructura de seis pliegues y la estructura de tres pliegues eliminaba la degeneración de la escala y reducía la simetría.

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Geometría de superficie de grafito con simetría rota

«En este estudio, caracterizamos con éxito el efecto de tal acoplamiento de geometría de superficie con simetría rota», dijo Matsui. «La dispersión de masa observada difiere de los estados electrónicos discretos de muchas capas de grafeno, lo que significa que la medición también es sensible a los estados electrónicos a granel mucho más profundos que la longitud de trayectoria libre promedio de los electrones emitidos. Además, la kz El ancho de banda de dispersión de acoplamiento se ve afectado por el estado electrónico de la superficie, como se muestra en este estudio. precisión y resolución kz La determinación del ancho de banda de dispersión está limitada por la longitud de la atenuación electrónica, especialmente cuando el estado de resonancia superficial está acoplado a la masa. kzbanda dispersa.

Mirando hacia el futuro, se necesita más investigación teórica para comprender cómo funcionan juntas estas diferentes estructuras. “Se requieren más estudios teóricos de las emisiones ópticas de valencia con una consideración cuidadosa del efecto de superficie para dilucidar kz La gravedad de la dependencia”, concluyó Matsui.

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