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中科院半导体所等在多层石墨烯物理性质研究方面取得新进展
中科院半导体所等在多层石墨烯物理性质研究方面取得新进展

 文章来源:半导体研究所    发布时间:2012-03-26

      石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量,石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象,使其迅速成为凝聚态物理领域近年来的研究热点之一。单层石墨烯可以逐层按不同方式堆垛成多层石墨烯,每一种多层石墨烯材料都显示出独特的电子能带结构。探测石墨烯电子能带结构的激发信息有很多方法,但是由于技术或分辨率的原因,这些技术的探测极限很难小至狄拉克点附近100meV 内的低能电子激发信息。因此,如何研究多层石墨烯在狄拉克点附近的能带结构信息一直是人们希望解决的难题。

      拉曼模式与电子激发间的相互作用为通过测量低频拉曼信号来探测相应的低能电子激发提供了一种非常有效方法。低频拉曼模式通常是利用三光栅拉曼光谱仪来测量的,但其非常低的光学透过率使它很难被用来研究象多层石墨烯和体石墨所具有的这类强度极弱的低频拉曼模。

      在科技部重大科学研究计划和国家自然科学基金的支持下,中科院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室谭平恒研究员课题组将最新发展的布拉格体光栅技术集成到单光栅拉曼光谱仪上,使其能测到低至5cm-1的斯托克斯和反斯托克斯拉曼信号。单光栅光谱仪非常高的光学信号透过率使得该课题组能探测从双层石墨烯、多层石墨烯到体石墨的强度极弱的低频剪切模,剪切模的峰位从体石墨的43cm-1 变到双层石墨烯的31cm-1。由于石墨烯剪切模的频率很低,声子能量只有5meV,远小于石墨烯G模0.2eV的声子能量,因此剪切模可以和石墨烯狄拉克点附近的低能电子激发发生显著的相互作用,使得多层石墨烯的剪切模显示出Fano线型。但随着石墨烯层数的越少,因吸附空气分子和与衬底之间的电荷转移所导致的掺杂效应越显著,使得该Fano共振的耦合效应越来越弱,以至于双层石墨烯剪切模的线型很接近洛伦兹线型。

      以上成果的理论工作是与半导体所常凯研究员、南开大学王玉芳教授、英国牛津大学Marzari教授和剑桥大学Ferrari教授等课题组紧密合作完成的。相关成果已经发表于Nature Materials 11:4, 294-300(2012)。谭平恒研究员和Ferrari教授为这篇论文的共同通讯作者。

      石墨并不是唯一的层状材料,BN、Bi2Te3和Bi2Se3等层状材料都可以通过机械物理剥离或化学方法来制备。所有这些材料剪切模的检测将可以用来直接探测它们的层间相互作用以及推动相关物理性质的研究。

 

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