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我國科研人員通過電子云調(diào)控發(fā)現(xiàn)石墨相變新機制

2021-08-03 13:47:10 來源：科技日報

記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)了解到，該校朱彥武教授團隊通過原位X射線研究，結(jié)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(qū)域接觸氮化鋰前后的薄層石墨拉曼信號變化，確認(rèn)了其電荷狀態(tài)變化。相關(guān)成果日前發(fā)表在知名學(xué)術(shù)期刊《納米快報》上。

作為鋰離子電池負(fù)極、石墨烯制備等領(lǐng)域的重要原材料，石墨一般包含兩種晶格結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)中包含三維狄拉克錐，電子態(tài)具有間隙，在低溫下電子傳輸受表面態(tài)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(chǎn)生強關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，從而產(chǎn)生具有自發(fā)對稱性破缺，例如鐵磁有序態(tài)和表面超導(dǎo)態(tài)。在已有的石墨相變研究中，為將石墨粉體中的3R相全部轉(zhuǎn)變?yōu)?H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(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)大范圍片徑尺寸宏量石墨粉體中的3R相向2H相完全轉(zhuǎn)變。進一步研究發(fā)現(xiàn)，該條件下石墨相變機理為：功函數(shù)差異導(dǎo)致氮化鋰晶體粉末在接觸石墨時將部分電子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)?H相。

這項研究成果通過對石墨電子云形態(tài)進行調(diào)控，有望實現(xiàn)對石墨堆疊形態(tài)和性質(zhì)的精確控制，也為其他碳基材料結(jié)構(gòu)調(diào)控及新型碳材料制備提供了新思路。

標(biāo)簽：科研人員電子云調(diào)控電荷狀態(tài) 石墨相變新機制