旋轉雙層石墨烯光電器件

譚平恒

(中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室，北京100083)

旋轉雙層石墨烯光電器件

譚平恒

(中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室，北京100083)

石墨烯是由單層碳原子按六方晶格排布構成的二維原子晶體，碳原子的核外電子以sp2雜化成σ鍵，未參與雜化的pz軌道構成π鍵。在能帶上，π鍵使石墨烯在費米面附近形成線性狄拉克錐形能帶結構1，這一晶格及能帶結構使石墨烯的光生載流子可以在非常短的時間內產生和復合(分別50 fs 及10 ps量級)2,3，因此，石墨烯在超快光電探測上有很大的潛力。目前，基于單層石墨烯的光電探測器工作頻率可達40 GHz，理論帶寬可達500 GHz4。然而，單層石墨烯的吸光系數低(僅為約2.3%)5，波長選擇性差，導致單層石墨烯基光電探測器的關鍵指標——光電響應度較低，給石墨烯光電探測的應用帶來了挑戰。

針對這一問題，北京大學化學與分子工程學院劉忠范-彭海琳課題組研究人員首次將旋轉雙層石墨烯(twisted bilayer graphene)應用至光電探測中，并與金屬等離激元納米結構結合，成功將石墨烯基光電探測的光電響應度提升約80倍。相關工作近期發表在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。兩個單層或多層石墨烯還可以按不同層數和不同旋轉角度進行堆垛，組成旋轉多層石墨烯。這些旋轉多層石墨烯具有比其子系統(單層或多層石墨烯)更加豐富的物理性化學性質7－10，為石墨烯的研究提供了無窮的可能性，同時也對材料性能的設計和構造產生了很大的影響。旋轉雙層石墨烯是兩個單層石墨烯以不同相對旋轉角度進行堆垛形成的一類新的二維碳材料。不同于AB堆垛雙層石墨烯的拋物線型能帶結構，旋轉雙層石墨烯保存了單層石墨烯的線性能帶結構，因而具有單層石墨烯的超快光電響應特性。更為特殊的是，旋轉雙層石墨烯的態密度會出現范霍夫奇點，正是這種特性使其具有了增強的光電相互作用，并在光電探測方面具有較大的潛力。為了進一步探索這一特性，劉忠范-彭海林課題組的研究人員采用化學氣相沉積的方法，在銅箔基底上成功合成了旋轉雙層石墨烯，并利用高分辨率球差電鏡以及顯微拉曼光譜對材料進行了表征，證明所合成的旋轉雙層石墨烯具有很高的晶體質量。為了解析能帶結構，他們與牛津大學的陳宇林教授課題組合作，采用最新發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雙層石墨烯的能帶結構。該研究表明，旋轉雙層石墨烯層間電子態的耦合，使其狄拉克錐型能帶相互交疊，在交點處形成鞍點和微帶隙(minigap)，并在能量態密度上表現為范霍夫奇點。進一步研究發現，不同旋轉角度的旋轉雙層石墨烯的范霍夫奇點出現在不同的能量位置上，奇點的位置與雙層石墨烯的旋轉角度呈近似的線性關系。正是這一旋轉角度依賴的能帶性質，導致了旋轉雙層石墨烯新奇的角度依賴的物理化學性質。

研究人員利用微納加工技術構筑了基于旋轉雙層石墨烯的光電探測器件。旋轉雙層石墨烯在狄拉克點兩側(準價帶與準導帶上)分別具有兩個范霍夫奇點，這兩個范霍夫奇點幾乎呈對稱分布。當入射光子能量與這兩個奇點能量差符合時，旋轉雙層石墨烯表現出增強的光電相互作用。這一增強的光電相互作用與雙層石墨烯旋轉角度密切相關，主要表現為光化學反應活性10及光電響應的顯著增強，并具有明顯的波長選擇性。在532 nm (2.33 eV)激光激發下，旋轉角為13°的旋轉雙層石墨烯的光電流相比7度的樣品，表現出6－7倍的增強。當入射光子能量降低為1.96 eV(633 nm)時，對應的旋轉角度也相應減小，這時奇點能量差在1.96 eV附近的旋轉雙層石墨烯(旋轉角約10.5°)表現出增強的光電響應。

除了自身表現出光電響應的增強，旋轉雙層石墨烯還表現出優異的兼容性，可以與其他增強手段結合，實現進一步的光電增強。例如，旋轉雙層石墨烯與金屬等離激元納米結構結合，可使光電流進一步增強80倍。這項工作表明，旋轉雙層石墨烯具有空間旋轉角度依賴的物理化學性質，其特殊能帶結構可能為石墨烯超快高敏光電探測提供新的解決方案。

References

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10.3866/PKU.WHXB201604191