轉角多層石墨烯的呼吸層間耦合研究新進(jìn)展

　　以石墨烯為代表的二維材料具有優(yōu)良的電學(xué)性能和光學(xué)性能，因此被期待可用來(lái)發(fā)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(lái)可以得到多層石墨烯。除了具有和體石墨相同的Bernal堆垛(即AB堆垛)方式的多層石墨烯之外，還可以在實(shí)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，即轉角多層石墨烯。轉角多層石墨烯內各子系統的層數不同和各子系統間旋轉角度的不同將使得其具有無(wú)限多的可能性，這無(wú)疑大大豐富了石墨烯材料的研究對象和研究?jì)热荩豪�如單層或多層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，使得轉角多層石墨烯具有與其堆垛方式相應的各種各樣的光電性質(zhì)。

　　研究聲子振動(dòng)模的拉曼光譜是表征石墨烯材料的最有效的技術(shù)手段之一。層間剪切和呼吸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(dòng)模。近年來(lái)，中科院半導體所半導體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗室譚平恒研究員研究組利用自己發(fā)展的超低波數拉曼技術(shù)已分別在多層石墨烯和多層旋轉石墨烯中觀(guān)察到了層間剪切模式[Nature Materials 11, 294-300 (2012)，Nat. Commun. 5:5309 (2014)]。然而，由于對稱(chēng)性和較弱的電聲子耦合等原因，到目前為止科學(xué)家們還未能在常溫下觀(guān)察到多層石墨烯的層間呼吸模式。另外，譚平恒研究組提出的單原子鏈模型在只考慮最近鄰相互作用情況下已經(jīng)能完美介紹多層石墨烯層間剪切模式的物理性質(zhì)，但此模型能否應用到層間呼吸模還不清楚。

　　最近，該研究組博士生吳江濱和譚平恒研究員等人與人民大學(xué)季威教授以及劍橋大學(xué)Ferrari教授合作，利用共振拉曼光譜技術(shù)，對轉角多層石墨烯的層間呼吸模進(jìn)行了系統研究。他們發(fā)現在轉角多層石墨烯界面處的層間呼吸耦合與正常Bernal堆垛多層石墨烯的強度相當。此結果顯著(zhù)地不同于層間剪切耦合，后者在轉角多層石墨烯界面處的層間剪切耦合減弱到了正常Bernal堆垛多層石墨烯的20%。第一性原理計算表明轉角多層石墨烯界面處的對稱(chēng)性破缺是導致其剪切模和呼吸模表現出不同行為的主要原因。研究同時(shí)表明，多層石墨烯的呼吸模頻率隨其層數的變化關(guān)系用只考慮最近鄰相互作用的單原子鏈模型已無(wú)法正確描述。但是，如果加入次近鄰層間呼吸耦合，則可解釋實(shí)驗觀(guān)察到的轉角多層石墨烯的層間呼吸模頻率，并擬合得到多層石墨烯的次近鄰層間呼吸耦合為最近鄰的9%。這是在范德瓦爾斯二維晶體材料中第一次觀(guān)察到這種次近鄰的層間呼吸耦合。本研究成果表明，可通過(guò)觀(guān)察層間剪切模來(lái)探測轉角多層石墨烯中各Bernal堆垛子系統的層數，同時(shí)用層間呼吸模來(lái)探測其總的層數。

　　該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持，并于近期在線(xiàn)發(fā)表在美國化學(xué)會(huì )學(xué)術(shù)刊物ACS Nano上。譚平恒研究員和季威教授為該論文的共同通信作者。這項重要發(fā)現不僅是石墨烯拉曼光譜領(lǐng)域方面的重要進(jìn)展，而且還可以推廣到其它由不同二維晶體材料堆垛而成的二維異質(zhì)結，使得超低頻拉曼光譜技術(shù)成為這種二維異質(zhì)結層間耦合的重要表征手段。