「優等生」:小角度扭轉的雙層石墨烯

2021-01-19 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#石墨烯5個

撰稿 | 楓艾杜（過程工程所 博士生）

名詞解釋

扭轉雙層石墨烯（Twisted Bilayer Graphene，後簡稱：TBG）

夜間可見光很微弱，但人眼看不見的紅外線卻很豐富。紅外夜視儀可以幫助人們在夜間進行觀察、搜索、瞄準和駕駛車輛。儘管人們很早就發現了紅外線，但受到紅外元器件的限制，紅外夜視技術發展很緩慢。直到1940年德國研製出硫化鉛和幾種紅外透射材料，成功研發出紅外探測器，才使紅外夜視儀的誕生成為可能。

圖源：istockphoto

紅外探測器是靠探測人體發射的紅外線來進行工作的。探測器收集外界的紅外輻射進而聚集到紅外傳感器上。紅外傳感器通常採用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發出變化時就會向外釋放電荷，檢測處理後產生警報。

紅外光電探測器是將入射的不可見的紅外輻射信號轉變成電信號輸出的器件。紅外光電探測器在多個行業均有廣泛用途。近年來，石墨烯由於具有從紫外至遠紅外的寬光譜吸收特性、室溫下超高的載流子遷移率、良好的機械柔韌性和環境穩定性等優異性能,使其在超寬譜、超快、非製冷、大面陣、柔性和長壽命光電探測器方面極具潛力,引起了國內外對石墨烯光電探測器的廣泛研究。石墨烯作為探測器，其核心指標是探測靈敏度。

石墨烯是一層單層碳原子，排列成扁平的蜂窩狀，每個六邊形的頂點由六個碳原子構成。自從2004年石墨烯第一次被分離出來以來，科學家們一直在深入研究石墨烯的獨特性質，以期在先進的計算機、材料和設備中得到潛在的應用。

圖源：istockphoto

近年來，由於具有獨特的的物理特性，小扭轉角(< 2°)的雙層石墨烯最近受到了極大關注。與單層石墨烯相比，扭轉雙層石墨烯(TBG)的布裡淵區發生摺疊導致超晶格帶隙的形成，並導致態密度產生了本質變化。過去對雙層石墨烯的研究，更多關注其優異的的超導性和新型的拓撲性質，然而其物理特性很少被用來製備新的光電子器件。

動圖 雙層石墨烯扭轉角

圖源：UTD

在這些扭轉雙層體系中，小扭轉角雙層石墨烯是一種獨特的的材料體系。

首先，TBG中莫爾圖案的出現導致了小布裡淵帶的形成，低能量範圍內的動態電導率大大增強。

其次，莫爾超晶格中層間電位的周期性調製可以在電子和空穴分支中誘導帶隙。

第三，由於兩層組成的石墨烯具有完全相同的晶體結構，TBG即使在扭轉角度很大的情況下也表現出獨特的物理性質。

2011年，德克薩斯大學奧斯汀分校物理學教授Allan MacDonald和Rafi Bistritzer發表在PNAS（

）上的論文首次提出了特定扭轉角對電子行為的獨特影響。作為Allan MacDonald團隊的博士生，Fan Zhang見證了這個領域的誕生。在2011年的那項研究中， Allan MacDonald和Rafi Bistritzer預測，在石墨烯雙層膜中，電子的動能會消失，所謂的「魔法」角度為1.1度。

2018年，麻省理工學院的研究人員發表在Nature（

）上的文章證明了這一理論，他們發現兩個石墨烯層偏移1.1度會產生一種二維超導體，這種材料傳導電流時沒有電阻，也沒有能量損失。

2019年，德克薩斯大學達拉斯分校Zhang 和Wang與俄亥俄州立大學的Chun Ning Lau團隊發表在Science Advances（

）上的一篇文章中，揭示了當偏移0.93度時，扭轉的雙層石墨烯同時表現出超導和絕緣特性，從而大大拓寬了「魔法」角度。

2020年近期，耶魯大學Fengnian Xia教授團隊與德克薩斯大學達拉斯分校Fan Zhang團隊合作，以「Strong mid-infrared photoresponse in small-twist-angle bilayer graphene」為題在Nature Photonics（

）上發表了文章，描述了扭轉雙層石墨烯如何在響應中紅外光的情況下發生傳導電流的變化。

圖1 1.81°TBG的強中紅外光響應

圖源：Nat. Photonics 14, 549-554 (2020) Fig.1

研究人員證實了小角度扭轉的雙層石墨烯可以實現強的且門可調諧光響應的中紅外波長範圍為5～12微米。在1.81°的TBG時，優化費米能級到超晶格帶隙，在12微米處獲得了26 mA/W的最大外部光響應率。

此外，強光響應嚴重依賴於超晶格帶隙的形成，並且響應會在超微小扭曲角(<0.5°)沒有帶隙的情況下消失。

該研究結果揭示了TBG有望成為紅外光電探測材料的光學特性，並為可調諧的中紅外光電子學提供了一種備選材料。

在圖1c三個波長中，光電流的測試結果顯示幾乎相同的門相關趨勢。此外，在光響應中有幾個顯著的特徵。

首先，當器件的費米能級在超晶格帶隙內時，可以觀察到強光響應。

其次，光電流表現出兩極性，這表明通道在光照下可以有更高或更低的電導率，這取決於門控通道費米能級的位置。

第三，如圖1b中的電阻和圖1c中的Rex的形狀非常相似，除了光電流有兩個極性，而且源極-漏極電阻不能是負的。此外，由於能帶結構的內在不對稱性，在電阻和光電流測量中都存在電子空穴不對稱現象。

光響應取決於帶隙的大小和詳細的能帶結構，因此，觀察到三種波長的輸運和光響應特性的不對稱性印證了這一點。如圖2所示， 對TBG進行了光吸收計算，闡明了光響應的起因和它的門依賴性。在計算中，只考慮由於直接帶間躍遷引起的電導率。

圖2 莫爾超晶格增強的測溫光電流

圖源：Nat. Photonics 14, 549-554 (2020)Fig.2

該研究報導了超晶格誘導帶隙和超晶格增強DOS的TBGs，這種TBGs在5～12微米波寬的中紅外波長範圍內表現出較強的光響應，且在12微米時其外在峰響應率為26 mA/W。此外，我們還揭示了扭轉角起到關鍵作用，當扭轉角超小時，由於超晶格誘導帶隙的關閉，這種強光響應消失。該研究結果表明了TBGs在可調諧中紅外光電子應用中的巨大潛力。

石墨烯用於光探測有著突出的優勢，也存在著明顯的劣勢：本徵石墨烯自身由於光吸收率低、缺乏光增益機制，導致石墨烯探測器的光響應率較低；石墨烯自身的光生載流子壽命短，僅皮秒左右，導致光生載流 子難以有效收集，也嚴重影響探測器的光響應率，石墨烯探測器的低響應率無法滿足實際應用的需要。

目前，通過對石墨烯進行量子點修飾、構PN結、分子或金屬摻雜及尺寸量子化等方式打開石墨烯帶隙、石墨烯與等離子體納米結構結合、石墨烯與微腔或矽波導集成等多種方法，可以不同程度地提高石墨烯探測器的光響應率，以達到或接近實際應用的需要。

文章信息

Deng, B., Ma, C., Wang, Q. et al. Strong mid-infrared photoresponse in small-twist-angle bilayer graphene. Nat. Photonics 14, 549–553 (2020).

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0644-7

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原標題：《「優等生」：小角度扭轉的雙層石墨烯》

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