由日本核能研究開發機構尖端基礎研究中心表面界面科學研究小組澤知潮研究員和名古屋大學同步輻射研究中心的伊藤孝寬副教授、大阪大學產業科學研究所的田中慎一郎副教授等組成的研究團隊宣佈，明確了石墨烯和金的化學鍵合機制。研究團隊利用角分辨光電子能譜研究軌域發現，在石墨烯和金的鍵合中，金的凹凸結構的週期長度以及兩個原子排列的方向起着至關重要的作用。此成果有望用於利用自旋開發新一代節能積體電路。研究成果已於1月11日刊登在國際學術期刊《Physical Review Materials》上。
圖1.金和石墨烯化學鍵合示意圖（供圖：日本核能研究開發機構）
石墨烯和金的化學性質都很穩定，很難與其他物質形成化學鍵合，但從10多年前開始，逐漸出現了在特定條件下形成化學鍵合的研究成果。石墨烯的自旋沒有偏差，而金的表面有偏差，所以形成得化學鍵合有可能是從金向石墨烯導入自旋偏差。所以具有石墨烯和金的化學鍵合邊界有望應用於自旋電子元件。但這種化學鍵合的原子排列方式此前一直未能明確。
此次研究團隊將目光聚焦到已知可以在表面製作石墨烯的金的Hex-Au（001）週期性凹凸結構上，首先希望搞清楚石墨烯和金的界面處電子的狀態。
研究團隊透過化學氣相沉積法在相同結構的金表面上製備石墨烯。透過角分辨光電子能光譜分析在紫外線照射下逸出的電子的能量和角度，以此明確軌域。繼而將其與在平坦的金表面上製備石墨烯的結果進行了比較。
結果表明，在具有凹凸結構的金表面觀察到了金和石墨烯的軌域，而在平坦的金表面未能觀察到金的軌域，只有石墨烯的軌域爲一條直線。
另外，在比凹凸結構金的軌域6S和石墨烯的軌域的交點還要深的區域，研究團隊全球首次觀察到了不存在軌域的帶隙。當透過化學鍵合形成新的軌域時，也會形成帶隙。
由此研究人員認爲，凹凸結構會改變金的6s軌域性質，與石墨烯的軌域產生鍵合。所以若能控制凹凸結構的週期，則有可能實施對化學鍵合位置的操控。
理論計算也很好地再現了觀察結果，透過帶隙再次證實了化學鍵合的存在。
當金和石墨烯的晶體方向平行時，只有石墨烯和金的5d軌域鍵合，當方向垂直度時，不僅金的5d軌域，6s軌域也被認爲有鍵合。
研究團隊表示，今後將致力於驗證這種鍵合是否帶有自旋偏差。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Physical Review Materials（2023）
論文：Bandgap opening in graphene by hybridization with Au（001）reconstructed surfaces
DOI：doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.7.014002
