【48812】π电子云调控：石墨相变新机制

　　作为锂离子电池负极、石墨烯制备等范畴的重要原资料，石墨一般包括两种晶格结构：六方相（Hexagonal, 石墨烯依照ABAB…堆叠，简称2H相）和菱形相（Rhombohedral, 石墨烯ABCABC…堆叠，简称3R相）。其间，2H相能量较低，在粉体中占比较高；3R相能量较高，在粉体一般占比较低。但随着石墨颗粒碎化，片径减小，3R相占比逐步升高，最高可达50%。最近研讨标明，3R相石墨能带结构中包括三维狄拉克锥（3D Dirac cones），电子态具有空隙，在低温下电子传输受外表态分配；3R堆叠方式的三层石墨烯外表具有的平整能带有助于发生强相关现象，由此发生具有自发对称性破缺，例如铁磁有序态和外表超导态。在已有的石墨相变研讨中，为将石墨粉体中的3R相悉数改变为2H相，常需要对其进行高温度高压力石墨化处理，或采取了激光加热、焦耳热等手法，所需条件严苛，能耗较大。

　　中国科学技术大学朱彦武教授团队经过长时间研讨之后发现，在石墨粉体中参加少数氮化锂（Li3N）晶体粉末，即可在较低温度下（最低至350 ℃）完成大范围片径尺度（1 ~ 60 μm）宏量石墨粉体（百克量级）中的3R相向2H相彻底改变。在来自西北工业大学、国防科技大学、中科院半导体所和曼彻斯特大学等团队的协作研讨协助下，团队发现该条件下石墨相变机理为：功函数差异导致氮化锂晶体粉末在触摸石墨时将部分电子转移至石墨的共轭π电子云，使得石墨层距离反常增大，然后显着下降石墨层间滑移能垒，使得3R相得以在愈加温文条件下改变为2H相。

　　团队成员经过原位X射线研讨，结合榜首原理核算提出了3R石墨到2H石墨的层间滑移途径，并经过研讨同一区域触摸Li3N前后的薄层石墨拉曼信号改变确认了其电荷状况改变。该研讨依据效果得出，经过对石墨π电子云形状进行调控，有望完成对石墨堆叠形状和性质的准确操控，也为其他碳基资料结构调控及新式碳资料制备供给了新思路。相关效果以“Phase-Changing in Graphite Assisted by Interface Charge Injection”为题宣布在闻名学术期刊《Nano Letters》上。

　　中国科学技术大学博士后潘飞、倪堃，西北工业大学马越为该论文的一起榜首作者。国防科学技术大学朱梦剑、中国科学技术大学朱彦武、英国曼彻斯特大学/新加坡国立大学Kostya S. Novoselov为该论文的一起通讯作者。该研讨工作获得了科技部严重研讨方案、国家自然科学基金委等项目经费支撑。

　　图1.(a) 2H相和3R相石墨的原子模型；(b)初始石墨以及有无Li3N存在时热处理后的XRD；(c) XRD拟合以区别3R和2H相；(d)反响条件与石墨中剩下3R相份额相图

　　图2. (a)和(b)有无Li3N存在时石墨加热过程中原位XRD效果；(c)有无Li3N存在时石墨3R(101)和2H(101)峰强度随温度的演化；(d)有无Li3N存在时石墨层距离随温度的演化

　　图3. (a) AB堆叠滑移至AC堆叠的两种或许滑移途径；(b) AB, AA和AA’堆叠石墨的层距离随电荷注入量的改变；(c)电荷注入时3R堆叠石墨的电荷差分密度；(d)不同电荷注入条件下石墨的层间滑移能垒改变。

　　图4. (a) Li3N颗粒掩盖前后机械剥离薄层石墨的光学相片；(b)拉曼G峰方位差（(d)中赤色虚线方框强度减去(c)中赤色虚线方框强度）的扫描图画；(c)无Li3N颗粒掩盖时薄层石墨拉曼G峰扫描图画；(d)有Li3N颗粒掩盖时薄层石墨同一区域拉曼G峰扫描图画。