Investigadores de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón han detallado nuevas observaciones del estado de la superficie del grafito utilizando una máquina de espectroscopía de fotoelectrones recientemente desarrollada combinada con un microscopio electrónico.
Esta es la primera vez que un estudio espectroscópico mide 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 batería de iones de litio el rendimiento depende en gran medida del control de las características del grafito en la punta.
“En este estudio, reportamos la observación microscópica de simetría triple grafito estados superficiales junto con bandas π dispersas kz a granel”, dijo Fumihiko Matsui, coautor del Revisión física B papel presentando la investigación. “El hallazgo destaca la relevancia de considerar los efectos de superficie en las mediciones de estado electrónico intrínseco a granel. La pregunta que abordamos es: ¿con qué precisión podemos medir la dispersión kz intrínseca a granel?
Matsui explicó que 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.
Pero las medidas 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.
Aquí es donde entra en juego la espectromicroscopía resuelta por impulso de fotoelectrones. Esta técnica permitió a los investigadores ver cómo los estados de la superficie interactuaban con las bandas de volumen 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 también puede ayudar a comprender sus propiedades eléctricas.
En su artículo, los científicos explican que 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 Matsui y su equipo observaron la dispersión de la banda kz en la 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 ancho de banda de dispersión kz se ve afectado por el acoplamiento con el estado electrónico de la superficie, como se muestra en este estudio. La precisión y la resolución de la determinación del ancho de banda de dispersión kz están limitadas por la longitud de atenuación de electrones, especialmente cuando el estado de resonancia de la superficie se acopla con la banda dispersada en kz en masa”.
De cara al futuro, el científico cree que se necesita más investigación teórica para comprender cómo funcionan juntas estas diferentes estructuras.
