我国学者通过电子云调控发现石墨相变新机制

仙仙

记者从中国科学技术大学了解到，该校朱彦武教授团队通过原位X射线研究，结合第一原理计算提出了3R石墨到2H石墨的层间滑移路径，并通过研究同一区域接触氮化锂前后的薄层石墨拉曼信号变化，确认了其电荷状态变化。相关成果日前发表在知名学术期刊《纳米快报》上。


作为锂离子电池负极和石墨烯制备等领域的重要原材料，石墨一般包含两种晶格结构：六方相（简称2H相）和菱形相（简称3R相）。其中，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相占比逐渐升高，最高可达50%。


最近研究表明，3R相石墨能带结构中包含三维狄拉克锥，电子态具有间隙，在低温下电子传输受表面态支配；3R堆叠形式的三层石墨烯表面具有的平坦能带有助于产生强关联现象，从而产生具有自发对称性破缺，例如铁磁有序态和表面超导态。在已有的石墨相变研究中，为将石墨粉体中的3R相全部转变为2H相，常需要对其进行高温高压石墨化处理，或采用激光加热、焦耳热等手段，所需条件苛刻，能耗较大。


科研人员经过长期研究发现，在石墨粉体中加入少量氮化锂晶体粉末，即可在较低温度下实现大范围片径尺寸宏量石墨粉体中的3R相向2H相完全转变。进一步研究发现，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接触石墨时将部分电子转移至石墨的共轭π电子云，使得石墨层间距异常增大，从而显著降低石墨层间滑移能垒，使得3R相得以在更加温和条件下转变为2H相。


这项研究成果通过对石墨电子云形态进行调控，有望实现对石墨堆叠形态和性质的精确控制，也为其他碳基材料结构调控及新型碳材料制备提供了新思路。（记者吴长锋）