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半導體所在多層轉角石墨烯的層間耦合研究方面獲得重要進

發布時間:2021-10-21 14:08:35

閱讀量 : 12

石墨烯具有優良的電學性能和光學性能,因此被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件,晶體管和光電器件。將石墨烯堆疊起來可以得到多層石墨烯。除了具有和體石墨相同的Bernal堆垛(AB堆垛)方式的多層石墨烯之外,還可以在實驗室制備或者合成出不同石墨烯片層取向隨機的多層石墨烯-多層轉角石墨烯。堆垛方式的差異有可能導致石墨烯片層不同的層間耦合,從而影響其電子能帶結構。因此不同層數的多層轉角石墨烯就有可能有著各種各樣的光電性質。   

  研究聲子振動模的拉曼光譜是表征石墨烯材料的最有效的技術手段之一。層間剪切聲子模是多層石墨烯材料區別于單層石墨烯的獨特聲子振動模。譚平恒研究員研究組已在2012年首先觀察到此振動模[Nature Materials 11, 294-300 (2012)]。由于此振動模頻率非常低,非常適合用來研究多層石墨烯狄拉克點附近的低能電子激發;同時,此振動模也能用來有效地探測多層石墨烯的層間耦合。    

  最近,中科院半導體所半導體超晶格國家重點實驗室博士生吳江濱和譚平恒研究員等人與劍橋大學Ferrari教授合作,對多層轉角石墨烯的層間耦合進行了系統研究。他們發現在多層轉角石墨烯的界面層間剪切耦合減弱到了正常Bernal堆垛的20%,而與界面相鄰的石墨烯片層間的層間剪切耦合也減弱到體材料的90%,如圖1所示。盡管多層轉角石墨烯界面耦合很弱,其電子能帶結構還是與相應Bernal堆垛的多層石墨烯顯著不同。當采用與界面層間旋轉角度相對應的激發光時,多層轉角石墨烯的拉曼信號得到極大的增強。在引入光學躍遷允許的電子態的聯合態密度的這一概念時,通過理論計算,他們發現這種聯合態密度的極大值決定了拉曼信號共振線型的激發光能量極值。研究還發現,由于不同聲子與不同電子態間的電聲子相互作用不同,即使不同剪切模間的頻率差異非常小,它們強度的共振線型和能量極值差別卻很大。該項研究工作近期發表于Nature子刊系列《自然·通訊》(Nat. Commun. 5:5309 doi: 10.1038/ncomms6309 (2014))。

圖1. 多層轉角石墨烯界面附近的層間耦合常數

  這項重要發現不僅是多層石墨烯研究方面的重要進展,而且還可以推廣到其它二維晶體材料,成為研究二維晶體材料層間耦合的重要手段。該工作得到了國家自然科學基金委杰出青年研究基金的支持。


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