由日本原子能研究开发机构尖端基础研究中心表面界面科学研究小组泽知潮研究员和名古屋大学同步辐射研究中心的伊藤孝宽副教授、大阪大学产业科学研究所的田中慎一郎副教授等组成的研究团队宣布，明确了石墨烯和金的化学键合机制。研究团队利用角分辨光电子能谱研究电子轨道发现，在石墨烯和金的键合中，金的凹凸结构的周期长度以及两个原子排列的方向起着至关重要的作用。此成果有望用于利用自旋开发新一代节能集成电路。研究成果已于1月11日刊登在国际学术期刊《Physical Review Materials》上。
图1.金和石墨烯化学键合示意图（供图：日本原子能研究开发机构）
石墨烯和金的化学性质都很稳定，很难与其他物质形成化学键合，但从10多年前开始，逐渐出现了在特定条件下形成化学键合的研究成果。石墨烯的自旋没有偏差，而金的表面有偏差，所以形成得化学键合有可能是从金向石墨烯导入自旋偏差。所以具有石墨烯和金的化学键合边界有望应用于自旋电子元件。但这种化学键合的原子排列方式此前一直未能明确。
此次研究团队将目光聚焦到已知可以在表面制作石墨烯的金的Hex-Au（001）周期性凹凸结构上，首先希望搞清楚石墨烯和金的界面处电子的状态。
研究团队通过化学气相沉积法在相同结构的金表面上制备石墨烯。通过角分辨光电子能谱分析在紫外线照射下逸出的电子的能量和角度，以此明确电子轨道。继而将其与在平坦的金表面上制备石墨烯的结果进行了比较。
结果表明，在具有凹凸结构的金表面观察到了金和石墨烯的电子轨道，而在平坦的金表面未能观察到金的电子轨道，只有石墨烯的电子轨道为一条直线。
另外，在比凹凸结构金的电子轨道6S和石墨烯的电子轨道的交点还要深的区域，研究团队全球首次观察到了不存在电子轨道的带隙。当通过化学键合形成新的电子轨道时，也会形成带隙。
由此研究人员认为，凹凸结构会改变金的6s电子轨道性质，与石墨烯的电子轨道产生键合。所以若能控制凹凸结构的周期，则有可能实现对化学键合位置的操控。
理论计算也很好地再现了观察结果，通过带隙再次证实了化学键合的存在。
当金和石墨烯的晶体方向平行时，只有石墨烯和金的5d电子轨道键合，当方向垂直时，不仅金的5d电子轨道，6s电子轨道也被认为有键合。
研究团队表示，今后将致力于验证这种键合是否带有自旋偏差。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Physical Review Materials（2023）
论文：Bandgap opening in graphene by hybridization with Au（001）reconstructed surfaces
DOI：doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.7.014002
