中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：石墨烯具有優(yōu)良的電學(xué)性能和光學(xué)性能，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)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(即AB堆垛)方式的多層石墨烯之外，還可以在實(shí)驗(yàn)室制備或者合成出不同石墨烯片層取向隨機(jī)的多層石墨烯-多層轉(zhuǎn)角石墨烯。堆垛方式的差異有可能導(dǎo)致石墨烯片層不同的層間耦合，從而影響其電子能帶結(jié)構(gòu)。因此不同層數(shù)的多層轉(zhuǎn)角石墨烯就有可能有著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。層間剪切聲子模是多層石墨烯材料區(qū)別于單層石墨烯的獨(dú)特聲子振動(dòng)模。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所譚平恒研究員研究組已在2012年首先觀察到此振動(dòng)模[Nature Materials 11, 294-300 (2012)]。由于此振動(dòng)模頻率非常低，非常適合用來研究多層石墨烯狄拉克點(diǎn)附近的低能電子激發(fā)；同時(shí)，此振動(dòng)模也能用來有效地探測(cè)多層石墨烯的層間耦合。
最近，半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生吳江濱和譚平恒研究員等人與劍橋大學(xué)Ferrari教授合作，對(duì)多層轉(zhuǎn)角石墨烯的層間耦合進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們發(fā)現(xiàn)在多層轉(zhuǎn)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%，如下圖所示。盡管多層轉(zhuǎn)角石墨烯界面耦合很弱，其電子能帶結(jié)構(gòu)還是與相應(yīng)Bernal堆垛的多層石墨烯顯著不同。當(dāng)采用與界面層間旋轉(zhuǎn)角度相對(duì)應(yīng)的激發(fā)光時(shí)，多層轉(zhuǎn)角石墨烯的拉曼信號(hào)得到極大的增強(qiáng)。在引入光學(xué)躍遷允許的電子態(tài)的聯(lián)合態(tài)密度的這一概念時(shí)，通過理論計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)合態(tài)密度的極大值決定了拉曼信號(hào)共振線型的激發(fā)光能量極值。研究還發(fā)現(xiàn)，由于不同聲子與不同電子態(tài)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(qiáng)度的共振線型和能量極值差別卻很大。該項(xiàng)研究工作近期發(fā)表于Nature子刊系列《自然·通訊》（Nat. Commun. 5:5309 doi: 10.1038/ncomms6309 (2014)）。譚平恒研究員為該論文通訊作者。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)不僅是多層石墨烯研究方面的重要進(jìn)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(xué)基金委杰出青年研究基金的支持。
多層轉(zhuǎn)角石墨烯界面附近的層間耦合常數(shù)
