譚平恒

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯光電器件

譚平恒

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

石墨烯是由單層碳原子按六方晶格排布構(gòu)成的二維原子晶體，碳原子的核外電子以sp2雜化成σ鍵，未參與雜化的pz軌道構(gòu)成π鍵。在能帶上，π鍵使石墨烯在費(fèi)米面附近形成線性狄拉克錐形能帶結(jié)構(gòu)1，這一晶格及能帶結(jié)構(gòu)使石墨烯的光生載流子可以在非常短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生和復(fù)合(分別50 fs 及10 ps量級(jí))2,3，因此，石墨烯在超快光電探測(cè)上有很大的潛力。目前，基于單層石墨烯的光電探測(cè)器工作頻率可達(dá)40 GHz，理論帶寬可達(dá)500 GHz4。然而，單層石墨烯的吸光系數(shù)低(僅為約2.3%)5，波長(zhǎng)選擇性差，導(dǎo)致單層石墨烯基光電探測(cè)器的關(guān)鍵指標(biāo)——光電響應(yīng)度較低，給石墨烯光電探測(cè)的應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

針對(duì)這一問(wèn)題，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首次將旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯(twisted bilayer graphene)應(yīng)用至光電探測(cè)中，并與金屬等離激元納米結(jié)構(gòu)結(jié)合，成功將石墨烯基光電探測(cè)的光電響應(yīng)度提升約80倍。相關(guān)工作近期發(fā)表在Nature Communications上6。

單層石墨烯可以逐層按AB方式堆垛而成多層石墨烯。兩個(gè)單層或多層石墨烯還可以按不同層數(shù)和不同旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行堆垛，組成旋轉(zhuǎn)多層石墨烯。這些旋轉(zhuǎn)多層石墨烯具有比其子系統(tǒng)(單層或多層石墨烯)更加豐富的物理性化學(xué)性質(zhì)7－10，為石墨烯的研究提供了無(wú)窮的可能性，同時(shí)也對(duì)材料性能的設(shè)計(jì)和構(gòu)造產(chǎn)生了很大的影響。旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯是兩個(gè)單層石墨烯以不同相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行堆垛形成的一類(lèi)新的二維碳材料。不同于AB堆垛雙層石墨烯的拋物線型能帶結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯保存了單層石墨烯的線性能帶結(jié)構(gòu)，因而具有單層石墨烯的超快光電響應(yīng)特性。更為特殊的是，旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的態(tài)密度會(huì)出現(xiàn)范霍夫奇點(diǎn)，正是這種特性使其具有了增強(qiáng)的光電相互作用，并在光電探測(cè)方面具有較大的潛力。為了進(jìn)一步探索這一特性，劉忠范-彭海林課題組的研究人員采用化學(xué)氣相沉積的方法，在銅箔基底上成功合成了旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯，并利用高分辨率球差電鏡以及顯微拉曼光譜對(duì)材料進(jìn)行了表征，證明所合成的旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯具有很高的晶體質(zhì)量。為了解析能帶結(jié)構(gòu)，他們與牛津大學(xué)的陳宇林教授課題組合作，采用最新發(fā)展的高空間分辨率的角分辨光電子能譜(Micro-ARPES)，首次在銅箔基底上直接解析了旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)。該研究表明，旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯層間電子態(tài)的耦合，使其狄拉克錐型能帶相互交疊，在交點(diǎn)處形成鞍點(diǎn)和微帶隙(minigap)，并在能量態(tài)密度上表現(xiàn)為范霍夫奇點(diǎn)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，不同旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的范霍夫奇點(diǎn)出現(xiàn)在不同的能量位置上，奇點(diǎn)的位置與雙層石墨烯的旋轉(zhuǎn)角度呈近似的線性關(guān)系。正是這一旋轉(zhuǎn)角度依賴(lài)的能帶性質(zhì)，導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯新奇的角度依賴(lài)的物理化學(xué)性質(zhì)。

研究人員利用微納加工技術(shù)構(gòu)筑了基于旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的光電探測(cè)器件。旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯在狄拉克點(diǎn)兩側(cè)(準(zhǔn)價(jià)帶與準(zhǔn)導(dǎo)帶上)分別具有兩個(gè)范霍夫奇點(diǎn)，這兩個(gè)范霍夫奇點(diǎn)幾乎呈對(duì)稱(chēng)分布。當(dāng)入射光子能量與這兩個(gè)奇點(diǎn)能量差符合時(shí)，旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯表現(xiàn)出增強(qiáng)的光電相互作用。這一增強(qiáng)的光電相互作用與雙層石墨烯旋轉(zhuǎn)角度密切相關(guān)，主要表現(xiàn)為光化學(xué)反應(yīng)活性10及光電響應(yīng)的顯著增強(qiáng)，并具有明顯的波長(zhǎng)選擇性。在532 nm (2.33 eV)激光激發(fā)下，旋轉(zhuǎn)角為13°的旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的光電流相比7度的樣品，表現(xiàn)出6－7倍的增強(qiáng)。當(dāng)入射光子能量降低為1.96 eV(633 nm)時(shí)，對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度也相應(yīng)減小，這時(shí)奇點(diǎn)能量差在1.96 eV附近的旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯(旋轉(zhuǎn)角約10.5°)表現(xiàn)出增強(qiáng)的光電響應(yīng)。

除了自身表現(xiàn)出光電響應(yīng)的增強(qiáng)，旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯還表現(xiàn)出優(yōu)異的兼容性，可以與其他增強(qiáng)手段結(jié)合，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的光電增強(qiáng)。例如，旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯與金屬等離激元納米結(jié)構(gòu)結(jié)合，可使光電流進(jìn)一步增強(qiáng)80倍。這項(xiàng)工作表明，旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯具有空間旋轉(zhuǎn)角度依賴(lài)的物理化學(xué)性質(zhì)，其特殊能帶結(jié)構(gòu)可能為石墨烯超快高敏光電探測(cè)提供新的解決方案。

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10.3866/PKU.WHXB201604191