旋转双层石墨烯光电器件.pdf

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1、物理化学学报(WuliHuaxueXuebao1MavActaP．一Chim．Sin．2016，32(5)，1047—10481047doi：10．3866／PKU．WHXB201604191www．whxb．pku．edu．cn旋转双层石墨烯光电器件谭平恒(中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室，北京100083)石墨烯是由单层碳原子按六方晶格排布构成人员采用化学气相沉积的方法，在铜箔基底上成的二维原子晶体，碳原子的核外电子以杂化成盯功合成了旋转双层石墨烯，并利用高分辨率球差键，未参与杂化的轨道构成7t

2、"键。在能带上，7t"电镜以及显微拉曼光谱对材料进行了表征，证明键使石墨烯在费米面附近形成线性狄拉克锥形能所合成的旋转双层石墨烯具有很高的晶体质量。带结构，这一晶格及能带结构使石墨烯的光生载为了解析能带结构，他们与牛津大学的陈宇林教流子可以在非常短的时问内产生和复合f分别50fs授课题组合作，采用最新发展的高空间分辨率的及10ps量级)一，因此，石墨烯在超快光电探测上角分辨光电子能谱(Micro．ARPES)，首次在铜箔基有很大的潜力。目前，基于单层石墨烯的光电探底上直接解析了旋转双层石墨烯的能带结构。该测器工作频

3、率可达40GHz，理论带宽可达500研究表明，旋转双层石墨烯层间电子态的耦合，GHz。然而，单层石墨烯的吸光系数低(仅为约使其狄拉克锥型能带相互交叠，在交点处形成鞍2．3％)，波长选择性差，导致单层石墨烯基光电探点和微带隙(minigap1，并在能量态密度上表现为范测器的关键指标——光电响应度较低，给石墨烯霍夫奇点。进一步研究发现，不同旋转角度的旋光电探测的应用带来了挑战。转双层石墨烯的范霍夫奇点出现在不同的能量位针对这一问题，北京大学化学与分子工程学置上，奇点的位置与双层石墨烯的旋转角度呈近院刘忠范．彭海琳课题组

4、研究人员首次将旋转双层似的线性关系。正是这一旋转角度依赖的能带性石墨烯(twistedbilayergraphene)应用至光电探测质，导致了旋转双层石墨烯新奇的角度依赖的物中，并与金属等离激元纳米结构结合，成功将石理化学性质。墨烯基光电探测的光电响应度提升约80倍。相关研究人员利用微纳加工技术构筑了基于旋转工作近期发表在NatureCommunications上。双层石墨烯的光电探测器件。旋转双层石墨烯在单层石墨烯可以逐层按AB方式堆垛而成多层狄拉克点两侧(准价带与准导带上)分别具有两个范石墨烯。两个单层或多层石

5、墨烯还可以按不同层霍夫奇点，这两个范霍夫奇点几乎呈对称分布。数和不同旋转角度进行堆垛，组成旋转多层石墨当入射光子能量与这两个奇点能量差符合时，旋烯。这些旋转多层石墨烯具有比其子系统f单层或转双层石墨烯表现出增强的光电相互作用。这一多层石墨烯更加丰富的物理性化学性质7-10)为石增强的光电相互作用与双层石墨烯旋转角度密切墨烯的研究提供了无穷的可能性，同时也对材料相关，主要表现为光化学反应活性及光电响应的性能的设计和构造产生了很大的影响。旋转双层显著增强，并具有明显的波长选择性。在532nfl石墨烯是两个单层石墨烯以不

6、同相对旋转角度进f2．33eV)激光激发下，旋转角为13。的旋转双层石行堆垛形成的一类新的二维碳材料。不同于AB堆墨烯的光电流相比7度的样品，表现出6—7倍的增垛双层石墨烯的抛物线型能带结构，旋转双层石强。当入射光子能量降低为1．96eV(633rim)时，墨烯保存了单层石墨烯的线性能带结构，因而具对应的旋转角度也相应减小，这时奇点能量差在有单层石墨烯的超快光电响应特性。更为特殊的1．96eV附近的旋转双层石墨烯(旋转角约10．5。)表是，旋转双层石墨烯的态密度会出现范霍夫奇现出增强的光电响应。点，正是这种特性使其

7、具有了增强的光电相互作除了自身表现出光电响应的增强，旋转双层用，并在光电探测方面具有较大的潜力。为了进石墨烯还表现出优异的兼容性，可以与其他增强一步探索这一特性，刘忠范．彭海林课题组的研究手段结合，实现进一步的光电增强。例如，旋转1048ActaPhyS．一Chim．Sin．2016Vbl-32双层石墨烯与金属等离激元纳米结构结合，可使NatNanotechnol2009，4，839．doi：l0．1038／NNANO．2009．292光电流进一步增强80倍。这项工作表明，旋转双(5)Nair,R．R．；Blake

8、，P；Grigorenko，A．N．；Novoselov,K．S．；Booth，J．；Stauber,T．；Peres，N．M．R．；Geim，A．K．Science层石墨烯具有空间旋转角度依赖的物理化学性2008．320．1308．doi：l0．1l26／science．1156965质，其特殊能带结构可能为石墨烯超快高敏光电(6、Yin，J．B．；Wan