日本国立自然科学研究院的研究人员使用新开发的光电子能谱机结合电子显微镜对石墨表面状态进行了详细的新观察。
这是光谱研究第一次从微观角度精确测量石墨表面和边缘的电子状态。这一点很重要，因为锂离子电池性能的改善在很大程度上取决于对尖端石墨特性的控制。
Physical Review B论文的合著者Fumihiko Matsui说:“在这项研究中，我们报告了三倍对称石墨表面态与体kz分散π带耦合的微观观察。”“这一发现强调了在整体本征电子态测量中考虑表面效应的相关性。我们要解决的问题是:我们能多精确地测量固有的体积kz色散?”
松井解释说，像石墨这样的晶体结构具有被称为带结构的能带。除了固有的体带结构外，材料表面还有一种特殊的电子结构，称为表面态。
但宏观测量往往会对表面的各种精细结构进行平均和识别。在最糟糕的情况下，这种传统的测量技术可能会导致忽略表面状态和对体积特异性电子特性的误解。
这就是光电子动量分辨光谱显微镜的用武之地。这项技术使研究人员能够看到表面态如何与体带相互作用，并成功地成像石墨表面上的单原子高度步长。了解石墨的表面状态和能带结构也有助于了解其电学性质。
在他们的文章中，科学家解释说石墨是碳的结晶形式，由许多层组成。石墨烯的每一层都是六边形的蜂窝结构。这些层相互叠加的方式会影响石墨中电子带结构的类型。
Matsui说:“具有abab型叠加结构的石墨晶体在z轴周围是六倍对称的，而具有一种终止形式的表面是三倍对称的。”
当Matsui和他的团队在微米尺度上观察kz带的色散时，他们发现这种六折线结构和三折线结构的组合消除了π带的简并并降低了对称性。
Matsui说:“在这项研究中，我们成功地描述了这种耦合在对称破坏的表面几何中的影响。”“观察到的体色散不同于石墨烯几层的分立电子态，这意味着测量也对比发射电子的平均自由程长度更深的体电子态敏感。”
此外，kz色散带宽受与表面电子态耦合的影响，如本研究所示。电子衰减长度限制了kz色散带宽测定的精度和分辨率，特别是当表面共振态与体kz色散带耦合时。
展望未来，这位科学家认为需要更多的理论研究来了解这些不同的结构是如何一起工作的。

来源：www.mining.com

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