Imagen microscópica de superficie de grafito y estructura de banda de valencia junto con modelos de estructura atómica. Crédito:Fumihiko Matsui, Instituto de Ciencias Moleculares en Okazaki, Japón
El grafito es un mineral increíblemente importante y versátil, con usos que abarcan industrias. 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 muchas baterías, incluidas las baterías de iones de litio, y la demanda solo aumenta a medida que se desarrolla nueva tecnología.
Por ejemplo, la energía solar y los vehículos electrónicos requerirán una mayor producción de baterías y la necesidad de grafito. A pesar de que el grafito se ha investigado exhaustivamente durante décadas, aún queda más por descubrir. Sorprendentemente, hasta ahora ningún estudio espectroscópico ha medido 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 características del grafito en la punta.
En un artículo publicado en Physical Review B , los investigadores han detallado nuevas observaciones del estado de la superficie del grafito utilizando una máquina de espectroscopia de fotoelectrones recientemente desarrollada combinada con un microscopio electrónico.
"En este estudio, informamos la observación microscópica de estados superficiales de grafito simétricos triples junto con kz a granel bandas π dispersas. El hallazgo destaca la relevancia de considerar los efectos de la superficie en las mediciones de estado electrónico intrínseco a granel”, dijo Fumihiko Matsui, profesor del Instituto de Ciencias Moleculares en Okazaki, Japón. sub>z dispersión?"
Las estructuras cristalinas como el grafito tienen bandas de energía en lo que se conoce como estructura de bandas. 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 promediar y no reconocer las diversas estructuras finas en la superficie. En el peor de los casos, esta técnica de medición convencional puede hacer que se ignoren los estados de la superficie y que se interpreten erróneamente las propiedades electrónicas específicas del volumen. Utilizando una técnica llamada espectromicroscopía resuelta por momento de fotoelectrones, los investigadores observaron las estructuras electrónicas de la superficie de grafito. Pudieron ver cómo los estados de la superficie interactuaban con las bandas masivas y lograron obtener imágenes de pasos de altura de un solo átomo en una 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 que se compone de muchas capas. Cada capa individual de grafito, llamada grafeno, está estructurada en un panal hexagonal. La forma en que estas capas se apilan una encima de la otra afecta el tipo de estructuras de bandas electrónicas que se encuentran en el grafito. "Los cristales de grafito con una estructura de apilamiento tipo ABAB tienen una simetría séxtuple alrededor del eje z, mientras que una superficie con un tipo de terminación tiene una simetría triple", dijo Matsui. Cuando los investigadores observaron la dispersión de kz banda a escala micrométrica, encontraron que la combinación de esta estructura de seis veces y la estructura de tres veces eliminaba la degeneración de la banda π y se reducía la simetría.
"En este estudio, logramos caracterizar el efecto de dicho acoplamiento en una geometría de superficie con simetría rota", dijo Matsui. "La dispersión a granel observada difiere de los estados electrónicos discretos de varias capas de grafeno, lo que significa que la medición también es sensible a los estados electrónicos a granel mucho más profundos que la longitud media del camino libre de los electrones emitidos. Además, el k z El ancho de banda de dispersión se ve afectado por el acoplamiento con el estado electrónico de la superficie, como se muestra en este estudio. La precisión y resolución de kz La determinación del ancho de banda de dispersión está limitada por la longitud de atenuación de electrones, especialmente cuando el estado de resonancia de la superficie se acopla con el kz -banda dispersa."
De cara al futuro, se necesita más investigación teórica para comprender cómo funcionan juntas estas diferentes estructuras. "Se desean más estudios teóricos de la emisión de fotoelectrones de valencia con una consideración precisa del efecto de superficie para aclarar el kz dependencia de la intensidad", dijo Matsui. + Explore más
