研究揭示石墨烯有序晶界的範霍夫奇異性

2020-11-25 中國科大..

近期，中國科學技術大學侯建國、王兵教授研究組利用掃描隧道顯微術(STM)研究石墨烯有序晶界，揭示了原子尺度分辨的有序晶界結構，證明了有序晶界中存在範霍夫奇異性(VHS)。相關工作以「Evidence of van Hove singularities in ordered grain boundaries of graphene」為題，發表於Physical Review Letters 112, 226802 (2014)。 

 

晶界是石墨烯材料中的一種結構缺陷，通常是生長過程中各晶粒間取向差異所致，常見於通過化學氣相沉積(CVD)生長的較大面積石墨烯。與其他晶體材料相似，石墨烯中晶界的存在也會顯著影響其物理性質，特別是在石墨烯基電子器件中的晶界會極大地影響其電子學性質。一般認為，作為結構缺陷，晶界對石墨烯器件的電子學性質是有害的，如降低石墨烯的電導率和電子遷移率等。有理論預言，石墨烯的有序晶界類似於一種準一維的周期結構，其電子能帶中存在所謂的範霍夫奇點（VHS），從而在費米能級附近表現出顯著的電子態密度峰。 

 

本項研究利用掃描隧道顯微術，在實驗上表徵了多種具有原子尺度分辨的石墨烯有序晶 界結構，並利用掃描隧道譜學技術在實驗上首次證明了石墨烯中有序晶界存在範霍夫奇異性引起的電子態（VHS態）。通過比較石墨烯中有序晶界和無序晶界的電子學行為，分析了有序晶界中VHS態及無序晶界中的局域化電子態的差異，有助於理解相關輸運研究中相互矛盾的結果。結合理論計算，表明VHS態可以有效地提高石墨烯的載流子濃度。基於這一結果，研究組提出了一種可能的內嵌有序晶界的石墨烯條帶結構，可用於提高基於石墨烯條帶結構器件的電子輸運性質和器件效應。我校博士生馬傳許（實驗）和孫海峰（理論）是本項工作的共同第一作者。 

 

該工作受到國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金委、量子信息與量子科技前沿協同創新中心和中科院戰略性先導科技專項(B類)等項目資助。 

 

圖示：(a), (b), (3,1)|(1,3)疇界和(2,0)|(2,0)疇界中存在VHS的實驗和理論結果。

 

（微尺度物質科學國家實驗室、量子信息與量子科技前沿協同創新中心）

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