石墨烯(graphene)是由單層碳原子構(gòu)成的零帶隙的二維晶體，具有狄拉克錐型的線性能帶結(jié)構(gòu)、超高的載流子遷移率及寬帶光響應(yīng)等特性。然而，無帶隙的能帶結(jié)構(gòu)限制了石墨烯在場效應(yīng)晶體管等電子器件領(lǐng)域以及光電領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。當(dāng)兩層石墨烯以不同旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行層間堆垛時，可構(gòu)成一類新的二維碳材料——旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯(twisted bilayer graphene)。雙層石墨烯的堆垛方式(旋轉(zhuǎn)角度)對其能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制顯著，具有旋轉(zhuǎn)角度依賴的新奇物理化學(xué)性質(zhì)。旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，還由于層間耦合作用在狄拉克點(diǎn)兩側(cè)M點(diǎn)產(chǎn)生兩個鞍點(diǎn)和微帶隙(minigap)，在電子態(tài)密度上引起兩個范霍夫奇點(diǎn)，其相對位置由旋轉(zhuǎn)角度決定，從而可能形成大小不同的奇點(diǎn)能量差。
旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯材料兼顧了石墨烯的線性能帶結(jié)構(gòu)和范霍夫奇點(diǎn)形成的可調(diào)微帶隙，可用于新型光電探測器的開發(fā)應(yīng)用。當(dāng)前旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的可控制備與器件應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，確認(rèn)范霍夫奇點(diǎn)的存在，進(jìn)而得到微帶隙位置與旋轉(zhuǎn)角度的依賴關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)在特定波長的光照射下，旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的光化學(xué)反應(yīng)活性以及光電響應(yīng)顯著增強(qiáng)。利用波長選擇性的光電相互作用增強(qiáng)機(jī)制，研究人員率先研制了旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯光電探測器件，發(fā)現(xiàn)其光電流顯著增強(qiáng)了6-7倍，再將旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯與等離子激元納米結(jié)構(gòu)耦合，可使光電流進(jìn)一步增強(qiáng)80倍。該工作表明，石墨烯家族的新成員——旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯可為超快高敏高選擇性光電探測應(yīng)用開發(fā)提供新的機(jī)遇。
圖(A)CVD生長的旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯單晶，旋轉(zhuǎn)角為4度；(B)Micro-ARPES直接觀測的旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)；(C-G)旋轉(zhuǎn)雙層石墨烯光電器件的示意圖(C)、光學(xué)照片(D)、微區(qū)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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