?石墨烯(graphene)是由單層碳原子構(gòu)成的零帶隙的二維晶體,具有狄拉克錐型的線性能帶結(jié)構(gòu)、超高的載流子遷移率及寬帶光響應(yīng)等特性。然而,無(wú)帶隙的能帶結(jié)構(gòu)限制了石墨烯在場(chǎng)效應(yīng)晶體管等電子器件領(lǐng)域以及光電領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。當(dāng)兩層石墨烯以不同旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行層間堆垛時(shí),可構(gòu)成一類新的二維碳材料——旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯(twisted bilayer graphene)。雙層石墨烯的堆垛方式(旋轉(zhuǎn)角度)對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制顯著,具有旋轉(zhuǎn)角度依賴的新奇物理化學(xué)性質(zhì)。旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯不僅可保持單層石墨烯的狄拉克錐電子能帶結(jié)構(gòu),還由于層間耦合作用在狄拉克點(diǎn)兩側(cè)M點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)鞍點(diǎn)和微帶隙(minigap),在電子態(tài)密度上引起兩個(gè)范霍夫奇點(diǎn),其相對(duì)位置由旋轉(zhuǎn)角度決定,從而可能形成大小不同的奇點(diǎn)能量差。
?旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯材料兼顧了石墨烯的線性能帶結(jié)構(gòu)和范霍夫奇點(diǎn)形成的可調(diào)微帶隙,可用于新型光電探測(cè)器的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。當(dāng)前旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的可控制備與器件應(yīng)用相關(guān)研究尚處于起步階段。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范-彭海琳課題組研究人員成功在銅箔襯底上制備了不同旋轉(zhuǎn)角度的雙層石墨烯,并與英國(guó)牛津大學(xué)陳宇林課題組合作,首次使用高空間分辨率的角分辨光電子能譜(Micro-ARPES),直接解析了銅箔襯底上旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu),確認(rèn)范霍夫奇點(diǎn)的存在,進(jìn)而得到微帶隙位置與旋轉(zhuǎn)角度的依賴關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)特定波長(zhǎng)的光照射下,旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的光化學(xué)反應(yīng)活性以及光電響應(yīng)顯著增強(qiáng)。利用波長(zhǎng)選擇性的光電相互作用增強(qiáng)機(jī)制,率先研制了旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯光電探測(cè)器件,發(fā)現(xiàn)其光電流顯著增強(qiáng)了6~7倍,再將旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯與等離子激元納米結(jié)構(gòu)耦合,可使光電流進(jìn)一步增強(qiáng)80倍。該工作表明,石墨烯家族的新成員——旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯可為超快高敏高選擇性光電探測(cè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了新的機(jī)遇。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上【Jianbo Yin(尹建波),Huan Wang(王歡),Han Peng (彭晗),Yulin Chen (陳宇林),Hailin Peng(彭海琳),Zhongfan Liu(劉忠范),et al., Nature Communications 2016, 7, 10699. DOI: 10.1038/ncomms10699】,和《納米快報(bào)》上【Lei Liao(廖磊),Hailin Peng(彭海琳),Zhongfan Liu(劉忠范),et al., Nano Letter 2015, 15, 5585】,并申請(qǐng)了發(fā)明專利。相關(guān)工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中組部人才基金和北京市科委的項(xiàng)目資助。
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