石墨是一种非常重要且适应性强的材料，在许多不同的领域都有应用。由于石墨能够承受高温并易于导电，因此对于电子产品尤为重要。
石墨表面显微图像和价带结构以及原子结构模型。图片来源：Fumihiko Matsui，日本冈崎分子科学研究所
许多电池，特别是锂离子电池，需要石墨作为重要成分，随着新技术的采用，需求只会上升。例如，由于太阳能和电动汽车，电池的制造和对石墨的需求将扩大。
几十年来，石墨一直在深入研究，但还有更多可以学习的东西。令人惊讶的是，到目前为止，还没有光谱研究能够从微观角度精确地确定石墨表面和边缘的电子状态。
这一点很重要，因为对尖端石墨特性的管理是提高电池性能的关键因素。
在 2022 年 6 月 21 日发表在 Physical Review B 上的一项研究中，研究人员使用新设计的光电子能谱仪和电子显微镜来描述对石墨表面状态的新观察结果。
在这项研究中，我们报告了三重对称石墨表面状态与散装 kz 分散 π 带的微观观察。这一发现强调了在体本征电子态测量中考虑表面效应的相关性。我们要解决的问题是：我们测量本征体 kz 色散的准确度如何？
松井文彦，分子科学研究所教授
能量带存在于石墨等结晶地层中所谓的能带结构中。表面状态是指除了固有的体带结构之外，还存在于材料表面上的特定电子结构。
宏观测量经常平均，无法区分许多微小的表面特征。这种传统测量技术的最坏情况是，它可能导致表面状态被忽略，体积特定的电子特性被误解。
研究人员使用一种称为光电子动量分辨光谱显微镜的方法检查了石墨表面的电结构。他们成功地拍摄了石墨表面上的单原子高度台阶，并能够观察到表面状态如何与体带相互作用。
研究人员可以通过理解石墨的表面状态和能带结构来更好地了解石墨的电气特性。
石墨是碳的结晶形式，有几层。石墨烯，每层石墨的名称，具有六角形蜂窝结构。在石墨中看到的电带结构取决于这些层如何堆叠在一起。
Matsui补充说：“具有ABAB型堆叠结构的石墨晶体围绕z轴六倍对称，而具有一种端接类型的表面是三倍对称的。
根据对k色散的研究，这种六重结构与三重结构的组合降低了条带的简并并降低了对称性z微米级的波段。
在这项研究中，我们成功地表征了这种耦合在对称性破损的表面几何中的影响。观察到的本体色散与几层石墨烯的离散电子状态不同，这意味着测量对比发射电子的平均自由程长度深得多的本体电子态也很敏感。
松井文彦，分子科学研究所教授
他进一步说：此外，kz色散带宽受与表面电子态耦合的影响，如本研究所示。kz色散带宽测定的准确性和分辨率受电子衰减长度的限制，特别是当表面共振状态与本体k耦合时z-分散的带子。”
未来的理论研究需要理解这些不同结构如何相互作用。
Matsui总结道：“为了阐明kz强度依赖性，需要对价态光电子发射进行进一步的理论研究，同时精确考虑表面效应。
这项研究还包括大阪大学SANKEN的Shigemasa Suga的贡献。
期刊参考：
Matsui, F., et al. (2022) Coupling of kz-dispersing π band with surface localized states in graphite. Physical Review B. doi:10.1103/PhysRevB.105.235126
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