2016/03/11 信息來源： 化學與分子工程學院
石墨烯(graphene)是由單層碳原子構成的零帶隙的二維晶體，具有狄拉克錐型的線性能帶結構、超高的載流子遷移率及寬帶光響應等特性。然而，無帶隙的能帶結構限制了石墨烯在場效應電晶體等電子器件領域以及光電領域的應用和發展。當兩層石墨烯以不同旋轉角度進行層間堆垛時，可構成一類新的二維碳材料——旋轉雙層石墨烯(twisted bilayer graphene)。雙層石墨烯的堆垛方式(旋轉角度)對其能帶結構的調製顯著，具有旋轉角度依賴的新奇物理化學性質。旋轉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構，還由於層間耦合作用在狄拉克點兩側M點產生兩個鞍點和微帶隙(minigap)，在電子態密度上引起兩個範霍夫奇點，其相對位置由旋轉角度決定，從而可能形成大小不同的奇點能量差。
旋轉雙層石墨烯材料兼顧了石墨烯的線性能帶結構和範霍夫奇點形成的可調微帶隙，可用於新型光電探測器的開發應用。當前旋轉雙層石墨烯的可控制備與器件應用相關研究尚處於起步階段。北京大學化學與分子工程學院劉忠範-彭海琳課題組研究人員成功在銅箔襯底上製備了不同旋轉角度的雙層石墨烯，並與英國牛津大學陳宇林課題組合作，首次使用高空間解析度的角分辨光電子能譜(Micro-ARPES)，直接解析了銅箔襯底上旋轉雙層石墨烯的能帶結構，確認範霍夫奇點的存在，進而得到微帶隙位置與旋轉角度的依賴關係。研究發現在特定波長的光照射下，旋轉雙層石墨烯的光化學反應活性以及光電響應顯著增強。利用波長選擇性的光電相互作用增強機制，研究人員率先研製了旋轉雙層石墨烯光電探測器件，發現其光電流顯著增強了6-7倍，再將旋轉雙層石墨烯與等離子激元納米結構耦合，可使光電流進一步增強80倍。該工作表明，石墨烯家族的新成員——旋轉雙層石墨烯可為超快高敏高選擇性光電探測應用開發提供新的機遇。
圖(A)CVD生長的旋轉雙層石墨烯單晶，旋轉角為4度；(B)Micro-ARPES直接觀測的旋轉雙層石墨烯的能帶結構；(C-G)旋轉雙層石墨烯光電器件的示意圖(C)、光學照片(D)、微區拉曼(E)、光電流分布平面圖（F)與3D圖(G)。
相關研究成果發表在《自然-通訊》【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（劉忠範），et al., Nature Communications 2016, 7, 10699. DOI: 10.1038/ncomms10699】和《納米快報》上【Lei Liao（廖磊），Hailin Peng（彭海琳），Zhongfan Liu（劉忠範），et al.,Nano Letter 2015,15,5585】，並申請了發明專利。相關工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中組部人才基金和北京市科委的項目資助。
編輯：山石