中國粉體網(wǎng)訊 最近,，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室在《自然•材料》,、《自然•納米技術(shù)》,、《自然•物理》,、《自然•通訊》刊登了系列研究成果,。針對(duì)石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu),，他們系統(tǒng)研究了氮化硼基底調(diào)制下的摩爾超晶格以及相關(guān)物理現(xiàn)象,，為石墨烯能帶及電子學(xué)性質(zhì)調(diào)控提供了新思路,。
石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)近兩年來在國際二維材料和物理研究領(lǐng)域引起了廣泛的研究興趣,。石墨烯和六方氮化硼具有相似的原子結(jié)構(gòu),，都具有兩個(gè)子晶格；不同之處在于前者的兩個(gè)子晶格都是由碳原子構(gòu)成,，而后者的兩個(gè)子晶格分別由氮和硼原子構(gòu)成,。另外，兩者存在大約1.7%的晶格失配,，這種晶格失配會(huì)導(dǎo)致摩爾斑圖的出現(xiàn),，且摩爾斑圖的周期和兩者的相對(duì)晶格轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。相對(duì)晶格轉(zhuǎn)角為零時(shí)出現(xiàn)最大摩爾斑圖周期,，約15納米,。摩爾斑圖可以看成是一種六方氮化硼襯底對(duì)石墨烯的二維周期勢(shì)調(diào)控，即二維超晶格,。超晶格會(huì)改變本征石墨烯的能帶,，產(chǎn)生自相似的超晶格子帶，具有獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì),。理論上預(yù)測(cè),，由于氮化硼襯底上兩個(gè)子晶格的化學(xué)勢(shì)不同，會(huì)局域地打破石墨烯的子晶格對(duì)稱性,，從而導(dǎo)致石墨烯帶隙的出現(xiàn),。然而這種推測(cè)缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)；另外,，氮化硼襯底如何和石墨烯的兩個(gè)子晶格相互作用,，也缺乏深入的實(shí)驗(yàn)探究,。
為得到石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)，物理所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究員,、時(shí)東霞研究員,、楊蓉副研究員、博士生楊威,、史志文,、盧曉波等發(fā)展了一種氣相外延技術(shù)，國際上首次在六方氮化硼基底上外延了大面積單晶石墨烯,，使石墨烯和氮化硼之間的晶格相對(duì)轉(zhuǎn)角為零,。在輸運(yùn)測(cè)量中，他們觀察到超晶格子帶以及磁場(chǎng)下形成的超晶格朗道能級(jí),。利用這種高質(zhì)量的石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品，他們和美國加州大學(xué)伯克利分校的王楓教授,、史志文博士,、以及美國佛羅里達(dá)國家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的李志強(qiáng)教授、諶志國博士等合作,，利用紅外光譜的實(shí)驗(yàn)手段研究了這種摩爾超晶格的本征帶隙以及氮化硼基底對(duì)石墨烯摩爾超晶格中的電子贗自旋的調(diào)控,。
他們首先給石墨烯摩爾超晶格樣品施加了一個(gè)垂直磁場(chǎng)，在不同磁場(chǎng)下測(cè)量了朗道能級(jí)之間的躍遷,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能量（e）隨磁場(chǎng)（b）的變化曲線符合關(guān)系,，表明石墨烯超晶格中的準(zhǔn)粒子是有質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，在本征狄拉克點(diǎn)處存在帶隙,。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的帶隙為δ=~38mev(~440k）,。此外還發(fā)現(xiàn)朗道能級(jí)躍遷時(shí)的有效費(fèi)米速度隨磁場(chǎng)的增大而減小，這種現(xiàn)象不能用單粒子近似的理論來解釋,，表明多體相互作用在這個(gè)體系里面起了重要的作用,。在此基礎(chǔ)上，他們利用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的同步輻射光源,，在石墨烯摩爾超晶格中觀察到一個(gè)與超晶格能量相符的一個(gè)光學(xué)吸收峰,。該光學(xué)吸收峰對(duì)應(yīng)于超晶格狄拉克點(diǎn)附近的電子躍遷。進(jìn)一步理論分析得出,，在超晶格中石墨烯所受到的來自氮化硼基底的周期勢(shì)并不能用簡單的靜電勢(shì)標(biāo)量函數(shù)來描述,，而是需要用一個(gè)2x2矩陣來表述。這個(gè)張量周期勢(shì)中包含三個(gè)有特定物理意義的分量（μ 0,，μ3,，μ1），分別描述不同類型的周期勢(shì)：用來刻畫對(duì)于兩個(gè)子晶格對(duì)稱的勢(shì)分量,；用來描述對(duì)于兩個(gè)子晶格反對(duì)稱的勢(shì)分量,；以及會(huì)將電子波函數(shù)中來自兩個(gè)子晶格的貢獻(xiàn)翻轉(zhuǎn)的勢(shì)分量,，稱之為贗自旋雜化勢(shì)。通過對(duì)比理論與實(shí)驗(yàn),，他們發(fā)現(xiàn)贗自旋雜化勢(shì)在這三個(gè)勢(shì)分量中占主導(dǎo)作用,。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，來自基底的周期勢(shì)對(duì)石墨烯中電子態(tài)光躍遷的影響會(huì)隨著石墨烯中費(fèi)米能級(jí)的增加而減小,，一個(gè)合理的解釋是石墨烯中自由電子部分屏蔽了來自基底的周期勢(shì),。這些結(jié)果加深了對(duì)石墨烯贗自旋結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，并指出了一個(gè)通過超晶格來調(diào)控石墨烯贗自旋的途徑,。
系列工作得到了科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃青年科學(xué)家專題（納米專項(xiàng)）,、國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃（納米制造的基礎(chǔ)研究）及杰出青年基金，以及中科院b類先導(dǎo)等項(xiàng)目支持,。
石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)近兩年來在國際二維材料和物理研究領(lǐng)域引起了廣泛的研究興趣,。石墨烯和六方氮化硼具有相似的原子結(jié)構(gòu),，都具有兩個(gè)子晶格；不同之處在于前者的兩個(gè)子晶格都是由碳原子構(gòu)成,，而后者的兩個(gè)子晶格分別由氮和硼原子構(gòu)成,。另外，兩者存在大約1.7%的晶格失配,，這種晶格失配會(huì)導(dǎo)致摩爾斑圖的出現(xiàn),，且摩爾斑圖的周期和兩者的相對(duì)晶格轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。相對(duì)晶格轉(zhuǎn)角為零時(shí)出現(xiàn)最大摩爾斑圖周期,，約15納米,。摩爾斑圖可以看成是一種六方氮化硼襯底對(duì)石墨烯的二維周期勢(shì)調(diào)控，即二維超晶格,。超晶格會(huì)改變本征石墨烯的能帶,，產(chǎn)生自相似的超晶格子帶，具有獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì),。理論上預(yù)測(cè),，由于氮化硼襯底上兩個(gè)子晶格的化學(xué)勢(shì)不同，會(huì)局域地打破石墨烯的子晶格對(duì)稱性,，從而導(dǎo)致石墨烯帶隙的出現(xiàn),。然而這種推測(cè)缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)；另外,，氮化硼襯底如何和石墨烯的兩個(gè)子晶格相互作用,，也缺乏深入的實(shí)驗(yàn)探究,。
為得到石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)，物理所納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室張廣宇研究員,、時(shí)東霞研究員,、楊蓉副研究員、博士生楊威,、史志文,、盧曉波等發(fā)展了一種氣相外延技術(shù)，國際上首次在六方氮化硼基底上外延了大面積單晶石墨烯,，使石墨烯和氮化硼之間的晶格相對(duì)轉(zhuǎn)角為零,。在輸運(yùn)測(cè)量中，他們觀察到超晶格子帶以及磁場(chǎng)下形成的超晶格朗道能級(jí),。利用這種高質(zhì)量的石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品，他們和美國加州大學(xué)伯克利分校的王楓教授,、史志文博士,、以及美國佛羅里達(dá)國家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的李志強(qiáng)教授、諶志國博士等合作,，利用紅外光譜的實(shí)驗(yàn)手段研究了這種摩爾超晶格的本征帶隙以及氮化硼基底對(duì)石墨烯摩爾超晶格中的電子贗自旋的調(diào)控,。
他們首先給石墨烯摩爾超晶格樣品施加了一個(gè)垂直磁場(chǎng)，在不同磁場(chǎng)下測(cè)量了朗道能級(jí)之間的躍遷,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能量（e）隨磁場(chǎng)（b）的變化曲線符合關(guān)系,，表明石墨烯超晶格中的準(zhǔn)粒子是有質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子，在本征狄拉克點(diǎn)處存在帶隙,。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的帶隙為δ=~38mev(~440k）,。此外還發(fā)現(xiàn)朗道能級(jí)躍遷時(shí)的有效費(fèi)米速度隨磁場(chǎng)的增大而減小，這種現(xiàn)象不能用單粒子近似的理論來解釋,，表明多體相互作用在這個(gè)體系里面起了重要的作用,。在此基礎(chǔ)上，他們利用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的同步輻射光源,，在石墨烯摩爾超晶格中觀察到一個(gè)與超晶格能量相符的一個(gè)光學(xué)吸收峰,。該光學(xué)吸收峰對(duì)應(yīng)于超晶格狄拉克點(diǎn)附近的電子躍遷。進(jìn)一步理論分析得出,，在超晶格中石墨烯所受到的來自氮化硼基底的周期勢(shì)并不能用簡單的靜電勢(shì)標(biāo)量函數(shù)來描述,，而是需要用一個(gè)2x2矩陣來表述。這個(gè)張量周期勢(shì)中包含三個(gè)有特定物理意義的分量（μ 0,，μ3,，μ1），分別描述不同類型的周期勢(shì)：用來刻畫對(duì)于兩個(gè)子晶格對(duì)稱的勢(shì)分量,；用來描述對(duì)于兩個(gè)子晶格反對(duì)稱的勢(shì)分量,；以及會(huì)將電子波函數(shù)中來自兩個(gè)子晶格的貢獻(xiàn)翻轉(zhuǎn)的勢(shì)分量,，稱之為贗自旋雜化勢(shì)。通過對(duì)比理論與實(shí)驗(yàn),，他們發(fā)現(xiàn)贗自旋雜化勢(shì)在這三個(gè)勢(shì)分量中占主導(dǎo)作用,。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，來自基底的周期勢(shì)對(duì)石墨烯中電子態(tài)光躍遷的影響會(huì)隨著石墨烯中費(fèi)米能級(jí)的增加而減小,，一個(gè)合理的解釋是石墨烯中自由電子部分屏蔽了來自基底的周期勢(shì),。這些結(jié)果加深了對(duì)石墨烯贗自旋結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，并指出了一個(gè)通過超晶格來調(diào)控石墨烯贗自旋的途徑,。
系列工作得到了科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃青年科學(xué)家專題（納米專項(xiàng)）,、國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃（納米制造的基礎(chǔ)研究）及杰出青年基金，以及中科院b類先導(dǎo)等項(xiàng)目支持,。
