0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評論與回復
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學習在線課程
  • 觀看技術視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會員中心
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認識你,還能領取20積分哦,立即完善>

3天內不再提示

準晶雙層石墨烯研究工作簡單的介紹

ExMh_zhishexues ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-06-21 15:40 ? 次閱讀

以石墨烯為代表的二維材料體系以其豐富的電學、光學、力學等特性以及廣泛的應用前景,吸引了研究人員的關注。通過將不同的二維材料進行堆疊形成范德瓦爾斯異質結,可以進一步調控這些二維材料的性質,實現(xiàn)單個材料所不具有的新性質。雙層石墨烯可以看作是最簡單的范德瓦爾斯“異質”結,通過兩層石墨烯層間的扭轉角度,可以實現(xiàn)能帶調控及新奇的物理性質。在扭角雙層石墨烯體系中,目前絕大部分的研究工作主要集中在具有長程周期性公度(commensurate)結構的雙層石墨烯,而對于大扭轉角度形成的非公度(incommensurate)結構的雙層石墨烯的研究卻鮮有涉及。

清華大學物理系周樹云帶領的研究團隊,選取30°扭角形成的準晶雙層石墨烯作為具有非公度結構的典型代表展開研究,在電子結構中觀察到獨特的鏡像狄拉克錐,揭示了描述層間耦合作用的更普適的新機制。這一成果發(fā)表在近期的《美國科學院院報》[1] 。文章的通訊作者是清華大學周樹云教授和香港中文大學朱駿宜教授,第一作者是周樹云研究組的姚維同學。本文對這個準晶雙層石墨烯研究工作做一個簡單的介紹。

石墨烯的歷史使命

隨著現(xiàn)代硅基半導體芯片的制程工藝逼近量子極限,提出半個多世紀之久的摩爾定律也正逐步接近尾聲。當然,人類不會就此停下前進的腳步,一方面,人們正努力改善當前大規(guī)模集成電路中晶體管的基本架構,另一方面則是尋找一種具有更優(yōu)性能、有望替代單晶硅的新型材料,在此目標下,一場以石墨烯為代表的二維材料革命正在悄然展開。

2004年,曼徹斯特大學的Geim與Novoselov利用經(jīng)典的“撕膠帶”方法,在二氧化硅襯底上成功制備出了石墨烯樣品,即具有原子級厚度的單層石墨[2]。這種具有六角蜂窩狀結構的材料(圖1)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便表現(xiàn)出不同尋常的力學、熱學及電學性質。依賴于其獨特的狄拉克錐狀線性能帶結構,石墨烯擁有超高的電子遷移率,這使得它成為未來制造電子芯片最熾手可熱的候選材料之一,而Geim與Novoselov也因此榮膺2010年度諾貝爾物理學獎[3]。

圖1. 石墨烯

More is different: 堆疊與扭角

伴隨著石墨烯的誕生,這類具有層狀結構的二維材料體系為物理和材料學家探索新奇物態(tài)和物性提供了一片廣闊的天地。在過去的十年間,一大批各具特色的二維材料層出不窮,最具代表性的包括過渡族金屬二硫化物、黑磷、六角氮化硼以及鉍硒碲家族等等。這些材料幾乎囊括了人類目前已知的所有主要固體物態(tài),包括金屬、半導體、普通絕緣體、拓撲絕緣體、超導體以及電荷密度波等,同時還拓展出一些可由電光調控的新型內稟自由度,如過渡族金屬二硫化物單層中的能谷贗自旋等。盡管每一種二維材料都具有足夠有趣的性質,然而,實驗物理學家并不滿足于此,正如凝聚態(tài)物理學大師P. W. Anderson所說:More is different, 多即不同。在他們眼中,二維材料世界就是一個樂高王國,每一種二維材料都如同一塊積木,通過合理的拼裝組合,他們可以去探索和控制更加奇妙的物態(tài)特性,去搭建一座更宏偉的城堡(圖2)。

于是人們提出了構造所謂范德瓦爾斯異質結的想法[4],即通過堆疊不同類型的二維薄膜材料,利用層間的范德瓦爾斯力作為連接膠水,形成一種特殊的異質結構。人們所期待的是異質結內部的層間耦合能夠誘導出不同于異質結各個組成部分獨立存在時的性質。而在這一步上,實驗物理學家們已經(jīng)取得了十分重要的進展,例如將單層石墨烯與單層六角氮化硼結合時,層間相互作用會使電子結構衍生出所謂第二套狄拉克點,這是單層石墨烯自身所不具有的性質[5,6]。

圖2. 拼接二維材料世界的城堡。上圖來自[4]

事實上,若放寬異質結中“異質”這個條件,層間耦合的作用將體現(xiàn)得更加明顯,而石墨烯再次充當了我們的樂高積木塊(圖3)。眾所周知的是,大規(guī)模集成電路是由許許多多晶體管組成,也即一個個可控的邏輯開關元件,盡管單層石墨烯在電導方面擁有強大的優(yōu)勢,然而它的無帶隙的能帶結構使它并不能很容易地實現(xiàn)邏輯開關功能。一個可能的解決方案則是利用兩層石墨烯堆疊出來的雙層石墨烯。雙層石墨烯本身是一種沒有能隙的導體,然而一旦在外界加入電場后,能隙會被有效地打開[7],從而可以隔絕電子的導通,實現(xiàn)了一種原型邏輯開關。由此可見,即使在雙層石墨烯這種最簡單的“異質”結中,也蘊藏了實現(xiàn)未來電子芯片的巨大可能。

圖3. 范德瓦爾斯異質結:二維材料的堆疊

那么是否可以有更多的變化與不同?答案是肯定的。一個看似簡單但并不平庸的想法就是讓異質結中的兩層二維材料互相旋轉,形成一定的扭角(圖4)。讓我們再次來到雙層石墨烯這個簡單而又神奇的例子。雙層石墨烯,一般特指兩層石墨烯的晶軸晶向互相重疊而形成的AB堆疊或AA堆疊,其中AB堆疊可以產生前面提到的能隙。當我們引入旋轉角度這個額外自由度之后,無論是晶格結構還是電子結構都將有更加豐富的變化。首先從晶體結構上來看,當兩層石墨烯之間發(fā)生扭轉后,其結構會出現(xiàn)公度與非公度之分。在公度結構中(一般出現(xiàn)在較小的扭角下),雙層石墨烯會形成所謂的摩爾條紋,其整體依然具有長程的周期性。從電子結構上看,理論預言在一些特殊扭角(稱為“魔角”)的公度雙層扭角石墨烯中,體系的能帶中會出現(xiàn)一些平帶結構,即沒有色散的能帶。實驗上,帶有“魔角”的扭角雙層石墨烯被證實為具有莫特絕緣體相的基態(tài)[8],經(jīng)過適當?shù)碾娮訐诫s后還可以進一步實現(xiàn)超導態(tài)[9]。在這樣一個純碳基的體系中出現(xiàn)電子的強關聯(lián)作用,這無疑令所有凝聚態(tài)物理領域內的工作者驚訝與興奮,也充分顯示出雙層石墨烯這一體系所具有的無窮潛能。與公度結構迥異的是,在非公度結構中(一般出現(xiàn)在較大的扭角下),這種長程周期性將不復存在,甚至在某些特殊扭角處會形成“準晶”的條紋,因而很難用傳統(tǒng)的固體物理理論來描述。

圖4. 新的自由度:扭角

在過去很長一段時間內,對于扭角雙層石墨烯的理論和實驗工作都主要聚焦于小角度范圍內容易形成公度結構的雙層石墨烯。而對于具有非公度結構的雙層扭角石墨烯的研究則極其稀少,一方面是自然形成的非公度雙層石墨烯很少,另一方面,普遍觀點認為,在容易形成非公度結構的大扭角條件下,扭角雙層石墨烯的層間耦合將急劇減弱,因而缺少有趣的物理。最近的《美國科學院院報》報導了來自清華大學周樹云研究組的成果,該團隊成功制備出30°扭角雙層石墨烯并且給出了該結構中能帶耦合導致的新穎的狄拉克錐及相關物理機制 [1]。

準晶雙層石墨烯中的鏡像狄拉克錐

對于范德瓦爾斯異質結而言,與晶格匹配緊密關聯(lián)的摩爾周期勢形成與否對于層間的相互作用有很大的影響。如果存在摩爾周期勢,那么層間耦合將由于相位的相干而得到增強,反之亦然。而在扭角雙層石墨烯中,扭角是決定摩爾周期勢能否形成的唯一因素。由數(shù)學計算可以知道,在一個60°的扭轉周期中,能夠形成晶格匹配從而產生摩爾周期勢的扭角主要密集集中在0°或等價的60°扭角附近(圖5左),而在30°扭角附近則幾乎無一角度可以形成摩爾周期勢,尤其是30°這個特殊度,在此扭角下的雙層石墨烯顯示出一類十二重對稱的準晶條紋(圖5右),說明對應的扭角雙層石墨烯是沒有形成長程周期性的。

圖5. 左:公度或非公度結構與扭角的對應關系右:30°扭角雙層石墨烯中的準晶條紋

傳統(tǒng)觀念認為,非公度扭角雙層石墨烯的能帶結構只不過是兩層單層石墨烯的能帶結構簡單疊加,就如1+1=2。但研究者發(fā)現(xiàn)事實并非如此,1+1≠2。周樹云研究組首次成功在金屬Pt(111)襯底上生長出30°扭角雙層石墨烯,并且利用角分辨光電子能譜(ARPES)實驗技術直接測量到這個體系清晰的能帶結構。他們發(fā)現(xiàn),除了來自兩層石墨烯各自的線性能帶,也即狄拉克錐之外,在石墨烯的布里淵區(qū)以內,出現(xiàn)了一系列額外的狄拉克錐,他們與原始的狄拉克錐形成鏡像對稱,而他們的對稱鏡面不偏不倚,恰好是另一層石墨烯的布里淵區(qū)邊界(圖6)。這一結果表明,鏡面狄拉克錐的出現(xiàn)并非偶然,而是來自30°扭角雙層石墨烯內稟的電子結構,這其中,兩層石墨烯之間的層間耦合功不可沒。

圖6. 30°扭角雙層石墨烯中鏡像狄拉克錐的產生機理

研究人員進一步分析了該鏡像狄拉克錐出現(xiàn)的機理,他們發(fā)現(xiàn),假若與鏡像狄拉克錐對偶的原始狄拉克錐處在K點,那么鏡像狄拉克錐事實上是由另一個在K‘點,即與K點動量相反處的原始狄拉克錐散射而來(圖6),這個散射動量恰好是底層石墨烯的一個倒格矢(G30°),意味著頂層石墨烯中的電子感受到了底層石墨烯晶格場的作用。在該研究的拉曼光譜分析中,研究者所觀察到的雙共振拉曼模式也有力地支持了這樣的機理。

底下的魔鏡層是基于怎樣的普遍物理規(guī)律,把上面石墨烯兩個本來不能疊加的電子態(tài)K和K’疊加在一起的呢?來自香港中文大學物理系的理論和計算團隊對這種自然產生的魔鏡結構進行了細致的分析和計算研究。他們推導出了普適的條件,即上層石墨烯的兩個波矢能夠通過下面的魔鏡層散射之后疊加的條件是上層兩個波矢之差正好等于上下兩層的倒格矢之差。這一規(guī)律不僅對石墨烯適用,對任意的二維材料疊層都適用。也正是在這個機制的作用下,石墨烯層和鉑襯底產生足夠大的p-d軌道耦合作用,從而使魔鏡石墨烯能夠在晶體生長中自然產生。這種機制與之前通過人工堆疊產生的公度小角度石墨烯的耦合機制截然不同。我們可以把單層石墨烯的K和K’點兩個電子態(tài)想象成這個石墨烯小世界里面從不相見的參星和商星,然后,奇跡出現(xiàn)了,一個和這個石墨烯世界有三十度轉角“轉角宇宙”石墨烯仿佛一面魔法鏡子,讓兩顆從不相見的星星在魔鏡的散射下面疊加在一起,熠熠發(fā)光。在某種詩意的幻想當中,也許我們的世界之外也存在著這么個轉角世界,雖然我們似乎感覺不到它的存在,但是只要滿足這個散射條件,它就能夠產生奇跡,讓原本永遠不能見面的電子態(tài)相識相見,而我們的世界也是那個魔鏡世界的魔鏡。

準晶石墨烯的實驗實現(xiàn),為鏡像狄拉克錐提供了一個重要的載體。這個機理以及其背后的實驗結果拋棄了過去異質結研究中對摩爾周期勢的依賴,為描述異質結層間相互作用提供了一個新的觀點。另一方面,該研究成果以30°扭角雙層石墨烯為簡單模型,利用其發(fā)現(xiàn)的“魔鏡”效應,可以為將來在范德瓦爾斯異質結中調控更多更復雜的電子結構開辟新的道路。

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
  • 芯片
    +關注

    關注

    456

    文章

    51157

    瀏覽量

    426666
  • 半導體
    +關注

    關注

    334

    文章

    27693

    瀏覽量

    221930
  • 石墨烯
    +關注

    關注

    54

    文章

    1566

    瀏覽量

    80000

原文標題:準晶石墨烯突見魔鏡,中國團隊發(fā)現(xiàn)鏡像狄拉克錐

文章出處:【微信號:zhishexueshuquan,微信公眾號:知社學術圈】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

收藏 人收藏

    評論

    相關推薦

    石墨電容

    探索未來能量儲存新篇章:高性能4.2V 5500F 2.6Ah石墨電容推薦 隨著科技的飛速發(fā)展,我們對于能量儲存的需求也日益增長。在眾多的儲能元件中,石墨電容以其獨特的優(yōu)勢,正逐
    發(fā)表于 02-21 20:28

    石墨技術取得重大突破:能應用于納米電子元件中

    以作為導體。這從本質上為科學家們提供了一個相對簡單的為石墨制造人工能隙的方法。(所謂能隙,在這里可以簡單理解為石墨
    發(fā)表于 01-15 10:46

    人造皮膚是石墨下一個應用方向?

    傳感器。石墨是世上最薄也是最堅硬的納米材料,并且透光率極高。正是這些特性使得它成為了倫敦帝國理工學院研究人造皮膚的原材料。研究人員目前正在嘗試通過3D打印的方式將其打造成化學改性涂層
    發(fā)表于 01-28 10:23

    未來可穿戴設備電池或被激光誘導石墨取代

      據(jù)SlashGear網(wǎng)站報道,去年,美國萊斯大學研究人員宣布他們已經(jīng)開發(fā)出利用計算機控制的激光生產石墨的方法,由這種方法生產的石墨
    發(fā)表于 01-28 11:37

    研究表明石墨電極有助修復感知功能

    的電極效果并不理想,信號傳遞很不穩(wěn)定?! ?jù)介紹,石墨的導電性能非常優(yōu)異,測試中這一材料制作的電極實現(xiàn)了穩(wěn)定的腦電波信號傳遞,神經(jīng)元的一些特性也沒有因為與電極連接發(fā)生改變。  研究
    發(fā)表于 02-01 15:39

    厲害了,石墨!2017年熱度依然不減

    有望突破。實現(xiàn)低成本制備石墨是實現(xiàn)石墨產業(yè)化的基本前提,預計2017年,隨著研究的不斷深入,石墨
    發(fā)表于 01-18 09:09

    新興產業(yè)的發(fā)展離不開石墨電池的問世

    `日前,當華為中央研究院瓦特實驗室于第57屆日本電池大會上宣布“推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨基鋰離子電池”時,國內一片沸騰。盡管后來表明,此“石墨
    發(fā)表于 02-15 08:20

    放下身段、造福大眾的石墨產品

    一定清楚它的價格堪比黃金。好比一塊純金的手機電池,誰用得起啊。業(yè)內人有個比方,“誰都知道鉆石硬度好,可沒人用來做菜刀?!逼浯?,技術難度大。清華能源互聯(lián)網(wǎng)研究員劉冠偉則表示,石墨本身納米材料的高比表面
    發(fā)表于 07-12 15:54

    石墨發(fā)熱膜應用

    `<p>石墨(Graphene)由于結構獨特、性能優(yōu)異、理論研究價值高、應用遠景廣闊而備受關注,是已知的世上最薄、最堅硬、柔韌性最好、重量最輕的納米材料。在其廣泛
    發(fā)表于 12-22 17:26

    基于石墨的通信領域應用

    一、引言2010年,諾貝爾物理學被兩位英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖諾夫奪得,他們因制備出了石墨而獲此殊遇。而石墨的成功制備,引起了學界的巨大轟動,也引發(fā)了一場
    發(fā)表于 07-29 07:48

    石墨的基本特性和制備方法

    (Graphene)的理論研究已有60 多年的歷史。石墨一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩(wěn)定存在,直至2004 年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成
    發(fā)表于 07-29 06:24

    關于石墨的全面介紹

    碳原子呈六角形網(wǎng)狀鍵合的材料“石墨”具有很多出色的電特性、熱特性以及機械特性。具體來說,具有在室溫下也高達20萬cm2/Vs以上的載流子遷移率,以及遠遠超過銅的對大電流密度的耐性。為此,石墨

    不是只有石墨電池,傳感器也需要

    Sinitskii表示,“我們以前也研究過其它碳基材料傳感器,如石墨和氧化石墨。使用石墨
    發(fā)表于 05-18 06:44

    如何增強雙層石墨的超導性

    2022年的研究表明,超導性可能存在于不扭曲的雙層石墨中。與扭曲的雙層石墨
    發(fā)表于 03-07 15:19 ?495次閱讀

    魔角扭曲雙層石墨熱導率的研究

    來源?|?Materials Today Physics 01 背景介紹 扭曲雙層石墨(TBG)表現(xiàn)出具有較大第二晶格周期性的moire圖。當兩層
    的頭像 發(fā)表于 06-21 09:24 ?758次閱讀
    魔角扭曲<b class='flag-5'>雙層</b><b class='flag-5'>石墨</b><b class='flag-5'>烯</b>熱導率的<b class='flag-5'>研究</b>