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(xiàn)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(wú)帶隙的能帶結構限制了石墨烯在場(chǎng)效應晶體管等電子器件領(lǐng)域以及光電領(lǐng)域的應用和發(fā)展。當兩層石墨烯以不同旋轉角度進(jìn)行層間堆垛時(shí)，可構成一類(lèi)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)對其能帶結構的調制顯著(zhù)，具有旋轉角度依賴(lài)的新奇物理化學(xué)性質(zhì)。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，還由于層間耦合作用在狄拉克點(diǎn)兩側M點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)鞍點(diǎn)和微帶隙(minigap)，在電子態(tài)密度上引起兩個(gè)范霍夫奇點(diǎn)，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(diǎn)能量差。
旋轉雙層石墨烯材料兼顧了石墨烯的線(xiàn)性能帶結構和范霍夫奇點(diǎn)形成的可調微帶隙，可用于新型光電探測器的開(kāi)發(fā)應用。當前旋轉雙層石墨烯的可控制備與器件應用相關(guān)研究尚處于起步階段。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院劉忠范-彭海琳課題組研究人員成功在銅箔襯底上制備了不同旋轉角度的雙層石墨烯，并與英國牛津大學(xué)陳宇林課題組合作，首次使用高空間分辨率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，確認范霍夫奇點(diǎn)的存在，進(jìn)而得到微帶隙位置與旋轉角度的依賴(lài)關(guān)系。研究發(fā)現在特定波長(cháng)的光照射下，旋轉雙層石墨烯的光化學(xué)反應活性以及光電響應顯著(zhù)增強。利用波長(cháng)選擇性的光電相互作用增強機制，研究人員率先研制了旋轉雙層石墨烯光電探測器件，發(fā)現其光電流顯著(zhù)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(jìn)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(kāi)發(fā)提供新的機遇。
圖(A)CVD生長(cháng)的旋轉雙層石墨烯單晶，旋轉角為4度；(B)Micro-ARPES直接觀(guān)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(xué)照片(D)、微區拉曼(E)、光電流分布平面圖（F)與3D圖(G)。 相關(guān)研究成果發(fā)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（劉忠范），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（劉忠范），et al.,Nano Letter 2015,15,5585】，并申請了發(fā)明專(zhuān)利。相關(guān)工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中組部人才基金和北京市科委的項目資助。
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