我科學家通過電子云調控發現石墨相變新機制

2021-07-31 13:30:48 來源: 科技日報 作者: 吳長鋒

科技日報記者 吳長鋒

中國科學技術大學了解到,該校朱彥武教授團隊通過原位X射線研究,結合第一原理計算提出了3R石墨到2H石墨的層間滑移路徑,并通過研究同一區域接觸氮化鋰前后的薄層石墨拉曼信號變化,確認了其電荷狀態變化。相關成果日前發表在知名學術期刊《納米快報》上。


作為鋰離子電池負極、石墨烯制備等領域的重要原材料,石墨一般包含兩種晶格結構:六方相(簡稱2H相)和菱形相(簡稱3R相)。其中,2H相能量較低,在粉體中占比較高;3R相能量較高,在粉體一般占比較低。但隨著石墨顆粒碎化,片徑減小,3R相占比逐漸升高,最高可達50%。

最近研究表明,3R相石墨能帶結構中包含三維狄拉克錐,電子態具有間隙,在低溫下電子傳輸受表面態支配;3R堆疊形式的三層石墨烯表面具有的平坦能帶有助于產生強關聯現象,從而產生具有自發對稱性破缺,例如鐵磁有序態和表面超導態。在已有的石墨相變研究中,為將石墨粉體中的3R相全部轉變為2H相,常需要對其進行高溫高壓石墨化處理,或采用激光加熱、焦耳熱等手段,所需條件苛刻,能耗較大。

科研人員經過長期研究發現,在石墨粉體中加入少量氮化鋰晶體粉末,即可在較低溫度下實現大范圍片徑尺寸宏量石墨粉體中的3R相向2H相完全轉變。進一步研究發現,該條件下石墨相變機理為:功函數差異導致氮化鋰晶體粉末在接觸石墨時將部分電子轉移至石墨的共軛π電子云,使得石墨層間距異常增大,從而顯著降低石墨層間滑移能壘,使得3R相得以在更加溫和條件下轉變為2H相。

這項研究成果通過對石墨電子云形態進行調控,有望實現對石墨堆疊形態和性質的精確控制,也為其他碳基材料結構調控及新型碳材料制備提供了新思路。(受訪者供圖)

責任編輯: 何沛蓯
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