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多层转角石墨烯的层间耦合研究获进展

导读: 石墨烯具有优良的电学性能和光学性能,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件、晶体管和光电器件。

   石墨烯具有优良的电学性能和光学性能,因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件、晶体管和光电器件。将石墨烯堆叠起来可以得到多层石墨烯。除了具有和体石墨相同的Bernal堆垛(即AB堆垛)方式的多层石墨烯之外,还可以在实验室制备或者合成出不同石墨烯片层取向随机的多层石墨烯-多层转角石墨烯。堆垛方式的差异有可能导致石墨烯片层不同的层间耦合,从而影响其电子能带结构。因此不同层数的多层转角石墨烯就有可能有着各种各样的光电性质。

  研究声子振动模的拉曼光谱是表征石墨烯材料的最有效的技术手段之一。层间剪切声子模是多层石墨烯材料区别于单层石墨烯的独特声子振动模。中国科学院半导体研究所谭平恒研究员研究组已在2012年首先观察到此振动模[Nature Materials 11, 294-300 (2012)]。由于此振动模频率非常低,非常适合用来研究多层石墨烯狄拉克点附近的低能电子激发;同时,此振动模也能用来有效地探测多层石墨烯的层间耦合。

  最近,半导体所半导体超晶格国家重点实验室博士生吴江滨和谭平恒研究员等人与剑桥大学Ferrari教授合作,对多层转角石墨烯的层间耦合进行了系统研究。他们发现在多层转角石墨烯的界面层间剪切耦合减弱到了正常Bernal堆垛的20%,而与界面相邻的石墨烯片层间的层间剪切耦合也减弱到体材料的90%,如下图所示。尽管多层转角石墨烯界面耦合很弱,其电子能带结构还是与相应Bernal堆垛的多层石墨烯显著不同。当采用与界面层间旋转角度相对应的激发光时,多层转角石墨烯的拉曼信号得到极大的增强。在引入光学跃迁允许的电子态的联合态密度的这一概念时,通过理论计算,他们发现这种联合态密度的极大值决定了拉曼信号共振线型的激发光能量极值。研究还发现,由于不同声子与不同电子态间的电声子相互作用不同,即使不同剪切模间的频率差异非常小,它们强度的共振线型和能量极值差别却很大。

  这项发现不仅是多层石墨烯研究方面的重要进展,而且还可以推广到其它二维晶体材料,成为研究二维晶体材料层间耦合的重要手段。该工作得到了国家自然科学基金委杰出青年研究基金的支持。

多层转角石墨烯界面附近的层间耦合常数

 

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