Le graphite est un minéral incroyablement important et polyvalent, avec des utilisations couvrant plusieurs industries. Parce que le graphite peut facilement conduire l'électricité et résister à des températures élevées, il est particulièrement important pour l'électronique. Le graphite est un composant essentiel de nombreuses batteries, y compris les batteries lithium-ion, et la demande ne fait qu'augmenter à mesure que de nouvelles technologies sont développées.

Par exemple, l'énergie solaire et les véhicules électroniques nécessiteront une production accrue de batteries et le besoin de graphite. Même si le graphite a fait l'objet de recherches approfondies pendant des décennies, il reste encore beaucoup à découvrir pour les chercheurs. Étonnamment, aucune étude spectroscopique n'a jusqu'à présent mesuré avec précision les états électroniques de la surface et du bord du graphite d'un point de vue microscopique. Ceci est important car l'amélioration des performances de la batterie dépend en grande partie du contrôle des caractéristiques du graphite à la pointe.

Dans un article publié dans Physical Review B , les chercheurs ont détaillé de nouvelles observations de l'état de surface du graphite à l'aide d'un nouvel appareil de spectroscopie photoélectronique combiné à un microscope électronique.

"Dans cette étude, nous rapportons l'observation microscopique d'états de surface de graphite à triple symétrie couplés à la masse k_z bandes π dispersées. La découverte met en évidence la pertinence de prendre en compte les effets de surface dans les mesures d'état électronique intrinsèque en vrac », a déclaré Fumihiko Matsui, professeur à l'Institut des sciences moléculaires d'Okazaki, au Japon. sous>z dispersion ?"

Les structures cristallines comme le graphite ont des bandes d'énergie dans ce qu'on appelle une structure de bande. En plus de la structure de bande de volume inhérente, il existe une structure électronique spéciale à la surface du matériau, appelée état de surface. Les mesures macroscopiques ont tendance à moyenner et à méconnaître les différentes structures fines à la surface. Dans le pire des cas, cette technique de mesure conventionnelle peut conduire à ignorer les états de surface et à interpréter de manière erronée les propriétés électroniques spécifiques à la masse. En utilisant une technique appelée spectro-microscopie résolue en impulsion photoélectronique, les chercheurs ont examiné les structures électroniques de la surface du graphite. Ils ont pu voir comment les états de surface interagissaient avec les bandes de volume et ont réussi à imager les pas de hauteur d'un seul atome sur une surface de graphite. Comprendre à la fois l'état de surface et les structures de bande du graphite peut également aider les chercheurs à comprendre ses propriétés électriques.

Le graphite est une forme cristalline de carbone composée de plusieurs couches. Chaque couche individuelle de graphite, appelée graphène, est structurée en un nid d'abeille hexagonal. La façon dont ces couches s'empilent les unes sur les autres affecte le type de structures de bandes électroniques que l'on trouve dans le graphite. "Les cristaux de graphite avec une structure d'empilement de type ABAB sont six fois symétriques autour de l'axe z, alors qu'une surface avec un type de terminaison est triplement symétrique", a déclaré Matsui. Lorsque les chercheurs ont examiné la dispersion du k_z bande à l'échelle du micromètre, ils ont découvert que la combinaison de cette structure sextuple et de la structure triple éliminait la dégénérescence de la bande π et la symétrie était réduite.

"Dans cette étude, nous avons réussi à caractériser l'effet d'un tel couplage dans une géométrie de surface à symétrie brisée", a déclaré Matsui. "La dispersion de masse observée diffère des états électroniques discrets de plusieurs couches de graphène, ce qui signifie que la mesure est également sensible aux états électroniques de masse bien plus profonds que la longueur moyenne du libre parcours des électrons émis. De plus, le k _z la bande passante de dispersion est affectée par le couplage avec l'état électronique de surface, comme le montre cette étude. La précision et la résolution de k_z la détermination de la bande passante de dispersion est limitée par la longueur d'atténuation des électrons, en particulier lorsque l'état de résonance de surface se couple avec le volume k_z -bande dispersée."

À l'avenir, des recherches plus théoriques sont nécessaires pour comprendre comment ces différentes structures fonctionnent ensemble. "Des études théoriques supplémentaires sur l'émission de photoélectrons de valence avec une prise en compte précise de l'effet de surface sont souhaitées afin de clarifier le k_z dépendance à l'intensité », a déclaré Matsui. + Explorez davantage

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