研究人员追踪添加到石墨烯中的钙原子的路径

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向石墨烯中注入钙会产生超导体,但钙实际上在哪里最终成像


来自澳大利亚莫纳什大学,马里兰大学美国海军研究实验室和西班牙IMDEA Nanociencia的研究人员已经证实,为了形成超导体而添加到石墨烯中的钙原子实际上发生了什么:令人惊讶的是,钙位于石墨烯上层的下方下方的“缓冲”层使石墨烯“漂浮”在钙原子床上。

注入钙的超导石墨烯在节能电子产品和透明电子产品方面具有广阔的前景。

可以通过在石墨烯下面或两个石墨烯片之间注入另一种材料(称为“插入”的过程)来微调石墨烯的性能。这种外来原子或分子的注入通过增加石墨烯的导电性,减少与底物的相互作用或同时改变两者来改变石墨烯的电子性质。

将钙注入石墨会形成一种复合材料(钙插层石墨,CaC 6),具有相对“较高”的超导转变温度。在这种情况下,钙原子最终位于石墨烯片之间。

将钙注入碳化硅衬底上的石墨烯中也会产生高Tc超导体。碳化硅上的石墨烯具有两层碳原子:一层石墨烯层位于另一层“缓冲层”的顶部:在合成过程中在石墨烯和碳化硅衬底之间形成的碳层(结构类似于石墨烯),由于部分结合到基板表面,因此不导电。


“想象一下,碳化硅就像是一个床垫,上面有一块床单(粘结到其上的缓冲层)和一块床单(石墨烯),”主要作者吉米·科茨基迪斯(Jimmy Kotsakidis)解释说。

传统观点认为,钙应该注入两个碳层之间(两片之间),类似于注入石墨中的石墨烯层之间。出乎意料的是,莫纳什大学领导的研究小组发现,注入时,钙原子的最终目标位置位于缓冲层和下面的碳化硅衬底之间(在床单和床垫之间!)。

Kotsakidis解释说:“当我们意识到钙与基体的硅表面键合时,我们感到非常惊讶,这确实与我们认为的情况背道而驰。”

注入后,钙会破坏缓冲层与基材表面之间的键,从而使缓冲层“漂浮”在基材上方,从而形成新的准自立双层石墨烯结构(Ca-QFSBLG)。

这一结果是出乎意料的,以前的大量研究并未考虑缓冲层下面的钙嵌入。因此,该研究解决了关于插层钙的位置的长期困惑和争议。

在澳大利亚同步加速器上进行的X射线光电子能谱(XPS)测量能够查明钙在碳化硅表面附近的位置

低能电子衍射(LEED)和扫描隧道显微镜(STM)测量以及使用密度泛函理论(DFT)进行建模也支持了结果。

掌握了这些信息后,澳大利亚团队还决定研究是否可以将镁(众所周知,难以注入石墨结构的镁)插入(嵌入)碳化硅衬底上的石墨烯中。

令研究人员惊讶的是,镁的行为与钙非常相似,并且也注入到石墨烯和基质之间,再次“漂浮”了石墨烯。

镁和钙插层的石墨烯n型都掺杂了石墨烯,并导致低功函石墨烯,这是使用石墨烯作为其他材料的导电电触点时的一个吸引人的方面。

但是,与钙不同的是,插有镁的石墨烯在环境大气中至少可以保持稳定6个小时,克服了碱和插有碱土的石墨烯的主要技术障碍。

“ Mg-QFSBLG是一种低功函数材料,n型掺杂石墨烯,同时在环境中仍保持稳定,这一事实是朝着在技术应用中实施这些新型插层材料的正确方向迈出了一大步,”作者Michael Fuhrer教授。

“嵌入镁的石墨烯可能是发现其他类似稳定嵌入剂的垫脚石。”


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