O grafite é um mineral incrivelmente importante e versátil, com usos que abrangem indústrias. Como o grafite pode facilmente conduzir eletricidade e suportar altas temperaturas, é especialmente importante para a eletrônica. O grafite é um componente essencial de muitas baterias, incluindo baterias de íons de lítio, e a demanda só aumenta à medida que novas tecnologias são desenvolvidas.
Por exemplo, energia solar e veículos eletrônicos exigirão maior produção de baterias e a necessidade de grafite. Embora o grafite tenha sido minuciosamente pesquisado por décadas, ainda há mais para os pesquisadores descobrirem. Surpreendentemente, nenhum estudo espectroscópico até agora mediu com precisão os estados eletrônicos da superfície e da borda do grafite do ponto de vista microscópico. Isso é importante porque a melhora no desempenho da bateria depende muito do controle das características do grafite na ponta.

Em um artigo publicado na Physical Review B , os pesquisadores detalharam novas observações do estado da superfície do grafite usando uma máquina de espectroscopia fotoelétron recém-desenvolvida combinada com microscópio eletrônico.

"Neste estudo, relatamos a observação microscópica de estados de superfície de grafite simétricos de três vezes juntamente com k_z em massa bandas π dispersas. A descoberta destaca a relevância de considerar os efeitos de superfície em medições de estado eletrônico intrínseco em massa", disse Fumihiko Matsui, professor do Instituto de Ciências Moleculares em Okazaki, Japão. sub>z dispersão?"

Estruturas cristalinas como grafite têm bandas de energia no que é conhecido como estrutura de banda. Além da estrutura de banda em massa inerente, existe uma estrutura eletrônica especial na superfície do material, que é chamada de estado da superfície. Medidas macroscópicas tendem a fazer a média e não reconhecer as várias estruturas finas na superfície. Na pior das hipóteses, esta técnica de medição convencional pode levar a ignorar os estados da superfície e a má interpretação das propriedades eletrônicas específicas do volume. Usando uma técnica chamada espectro-microscopia resolvida por momento de fotoelétrons, os pesquisadores analisaram as estruturas eletrônicas da superfície do grafite. Eles foram capazes de ver como os estados da superfície interagiam com as bandas em massa e conseguiram imaginar passos de altura de um único átomo em uma superfície de grafite. Compreender o estado da superfície e as estruturas de banda do grafite também pode ajudar os pesquisadores a entender suas propriedades elétricas.

A grafite é uma forma cristalina de carbono que é composta de muitas camadas. Cada camada individual de grafite, chamada grafeno, é estruturada em um favo de mel hexagonal. A maneira como essas camadas se empilham umas sobre as outras afeta o tipo de estruturas de bandas eletrônicas encontradas no grafite. “Os cristais de grafite com uma estrutura de empilhamento do tipo ABAB são seis vezes simétricos em torno do eixo z, enquanto uma superfície com um tipo de terminação é três vezes simétrica”, disse Matsui. Quando os pesquisadores analisaram a dispersão do k_z banda em escala micrométrica, eles descobriram que a combinação desta estrutura de seis vezes e a estrutura de três vezes eliminou a degenerescência da banda π e a simetria foi reduzida.

"Neste estudo, conseguimos caracterizar o efeito de tal acoplamento em uma geometria de superfície com simetria quebrada", disse Matsui. "A dispersão em massa observada difere dos estados eletrônicos discretos de várias camadas de grafeno, o que significa que a medição também é sensível aos estados eletrônicos em massa muito mais profundos do que o comprimento médio do caminho livre dos elétrons emitidos. Além disso, o k a largura de banda de dispersão é afetada pelo acoplamento com o estado eletrônico da superfície, como mostrado neste estudo. A precisão e resolução de k_z a determinação da largura de banda de dispersão é limitada pelo comprimento de atenuação do elétron, especialmente quando o estado de ressonância da superfície se acopla com o volume k_z -banda dispersa."

Olhando para o futuro, mais pesquisas teóricas são necessárias para entender como essas diferentes estruturas funcionam juntas. "Mais estudos teóricos de emissão de fotoelétrons de valência com consideração precisa do efeito de superfície são desejados para esclarecer o k_z dependência de intensidade", disse Matsui. + Explore mais

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