多层转角石墨烯的层间耦合研究取得重要发现

中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室谭平恒研究员的研究团队与剑桥大学Ferrari教授合作,在多层转角石墨烯的层间耦合研究方面取得重要发现,这项研究工作发表在Nature子刊系列《自然•通讯》上。 

  石墨烯具有优良的电学性能和光学性能,因此被期待用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元器件和光电器件。通过机械剥离或实验室合成可以制备出不同堆垛方式的多层石墨烯。堆垛方式的差异可能导致石墨烯片层不同的层间耦合而影响其电子能带结构和光电性质。 

  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。谭平恒研究员研究组已在2012年首先观察到此振动模。其非常低的振动频率可用来研究多层石墨烯狄拉克点附近的低能电子激发;同时,该振动模也可用来有效探测多层石墨烯的层间耦合。 

  在对多层转角石墨烯的层间耦合进行系统研究中发现,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%。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联合态密度的这一概念时,通过理论计算发现,这种联合态密度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。 

  这项重要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。 



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