床单之间发生了什么?漂浮在钙原子床上的石墨烯

向石墨烯中添加钙会产生一种极有前途的超导体，但钙去哪了呢?

将钙添加到复合石墨烯衬底结构中可以产生高过渡温度(Tc)超导体。

在一项新的研究中，一个澳大利亚领导的团队首次证实了这些钙原子到底发生了什么:让所有人惊讶的是，钙在上层石墨烯薄片和下层“缓冲”薄片的下面，将石墨烯“漂浮”在钙原子床上。

超导钙注入石墨烯为节能电子产品和透明电子产品带来了巨大的希望。

研究掺钙石墨烯:抛下羽绒被

石墨烯的性质可以通过在石墨烯下面或两片石墨烯片之间注入另一种材料(称为“插层”)来微调。

这种外来原子或分子的注入改变了石墨烯的电子性质，通过增加其电导，减少与衬底的相互作用，或两者兼有。

向石墨中注入钙会产生一种复合材料(插钙石墨，CaC)₆)具有相对“高”的超导转变温度(Tc)。在这种情况下，钙原子最终位于石墨烯薄片之间。

向碳化硅基底上的石墨烯中注入钙也会产生高温度超导体，我们总是认为在这种情况下，我们也知道钙的去向……

碳化硅上的石墨烯有两层碳原子:一层石墨烯在另一层“缓冲层”上:合成过程中在石墨烯和碳化硅衬底之间形成的碳层(结构类似石墨烯)，由于部分结合在衬底表面，因此不导电。

“想象一下，碳化硅就像一个床垫，上面有一块贴合的薄片(缓冲层与之结合)和一块平板(石墨烯)，”首席作者吉米·科萨基德斯解释说。

传统观点认为，钙应该在两个碳层之间(两层之间)注入，类似于石墨中石墨烯层之间的注入。令人惊讶的是，莫纳什大学领导的团队发现，当注入时，钙原子的最终目的地位于缓冲层和下面的碳化硅衬底之间(在贴合的薄片和床垫之间!)

Kotsakidis解释说:“当我们意识到钙与衬底的硅表面结合时，我们非常惊讶，这与我们想象的完全相反。”

在注入时，钙破坏了缓冲层和衬底表面之间的键，从而导致缓冲层“漂浮”在衬底之上，创建了一个新的、准独立的双层石墨烯结构(Ca-QFSBLG)。

这一结果出乎意料，因为之前的大量研究没有考虑缓冲层下面的钙插层。因此，这项研究解决了长期以来关于插层钙位置的困惑和争议。

在澳大利亚同步加速器上进行的x射线光电子能谱(XPS)测量能够精确地确定钙在碳化硅表面附近的位置

结果也得到了低能电子衍射(LEED)、扫描隧道显微镜(STM)测量和使用密度泛函理论(DFT)建模的支持。

还有镁…

有了这些信息，澳大利亚团队还决定研究镁——众所周知很难注入到石墨结构中——是否可以插入到碳化硅基底上的石墨烯中。

令研究人员惊讶的是，镁的表现与钙非常相似，也被注入石墨烯和基底之间，再次“漂浮”在石墨烯上。

镁和钙插层石墨烯n型掺杂石墨烯，并导致低工作函数石墨烯，当使用石墨烯作为其他材料的导电电接触时，这是一个有吸引力的方面。

但与钙不同的是，镁插层石墨烯在环境大气中保持稳定至少6小时，克服了碱土和碱土插层石墨烯的主要技术障碍。

“Mg-QFSBLG是一种低功能材料，n型掺杂石墨烯，同时在环境大气中保持相当稳定，这是在技术应用中实现这些新型插层材料的正确方向上迈出的一大步，”合著者Michael Fuhrer教授解释道。

“镁嵌层石墨烯可能是发现其他类似稳定嵌层材料的垫脚石。”

这项研究

这篇论文独立式n-通过钙和镁嵌入缓冲层掺杂石墨烯- SiC(0001)界面发表于材料化学2020年7月(DOI 10.1021/acs. chematter .0c01729)。

以及澳大利亚研究理事会(桂冠奖学金和卓越中心计划)，作者承认支持澳大利亚政府研究培训计划，莫纳什原子薄材料中心(MCATM),科学部长Innovatión y Universidades，马德里公社，以及美国海军研究实验室．

计算支持来自莫纳什大学校园集群，NCI计算设备而且Pawsey超级计算机设施部分研究是在ANSTO进行的澳大利亚同步加速器．

更多的信息

• 联系Jimmy C. Kotsakidis(莫纳什大学)jckot1@student.monash.edu
• 联络Michael Fuhrer教授(莫纳什大学)Michael.Fuhrer@monash.edu
• 联系Amadeo L.博士Vázquez de Parga(马德里大学Autónoma de Madrid)al.vazquezdeparga@uam.es