| 전자구름 조절을 통해 흑연 상변화의 새로운 메커니즘 발견 | ||
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  중국과학기술대학교 Zhu Yanwu（朱彥武） 교수 연구팀은 원위치 X선 연구 및 제1원리 계산을 결합하여 3R 흑연에서 2H 흑연으로의 층간 슬립 경로를 제안하고, 동일 영역에서 질화리튬과 접촉하기 전후의 박층 흑연 라만 신호 변화에 대한 연구를 통하여 전하 상태 변화를 확인했다. 관련 연구 성과는 국제학술지 “Nano Letters”에 게재되었다. 흑연은 리튬 이온 배터리 음극, 그래핀 제조 등 분야 중요한 원료로 일반적으로 육각상(2H상)과 능형상(3R상)의 두가지 격자 구조를 포함한다. 그 중, 2H 상은 에너지가 상대적으로 낮고 분말에서 높은 비율을 차지하며, 3R상은 에너지가 상대적으로 높고 분말에서 낮은 비율을 차지한다. 그러나 흑연 입자가 파쇄됨에 따라 시트 직경이 감소하고 3R상의 비율이 점차 증가하여 최대 50%에 달할 수 있다. 최근 연구에 따르면 3R상 흑연 에너지 밴드 구조는 3차원 디락 콘(Dirac cone)을 포함하고, 전자 상태에는 갭이 있으며, 저온에서 전자 수송은 표면 상태에 의해 지배된다. 기존의 흑연 상변화 연구에서는 흑연 분말 중의 3R상을 모두 2H상으로 전환시키기 위해서 고온고압의 흑연화 처리를 수행하거나 레이저 가열, 줄 열 등 방법을 채택하는 경우가 많으며 요구 조건이 까다롭고 에너지 소비가 많다. 연구팀은 흑연 분말에 소량의 질화리튬 결정 분말을 첨가할 경우, 낮은 온도에서 광범위한 시트 지름 크기의 매크로 흑연 분말에서 3R상에서 2H상으로의 완전한 전환을 달성할 수 있음을 발견했다. 해당 조건에서 흑연 상변화 메커니즘은 다음과 같다. 일함수의 차이로 인해 질화리튬 결정 분말이 흑연과 접촉할 때 일부 전자를 흑연의 공액 π 전자구름으로 이동시켜 흑연층 간격이 비정상적으로 증가하여 흑연층 사이의 슬립 에너지 장벽을 크게 줄임으로써 3R상이 보다 온화한 조건에서 2H 상으로 변환할 수 있다. 해당 연구 성과는 흑연 전자구름의 형태를 조절하여 흑연 스택 형태와 특성을 정밀하게 제어할 수 있을 것으로 기대되며, 기타 탄소계 재료의 구조 조절 및 신형 탄소재료 제조를 위한 새로운 아이디어를 제공할 전망이다. 정보출처 : http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2021-08/02/content_517845.htm?div=-1 |
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