我國(guó)科學(xué)家在石墨烯外延生長(zhǎng)及及二維超晶格研究獲進(jìn)展

2013-08-30 華夏中國(guó)日?qǐng)?bào)網(wǎng)

　　石墨烯以其獨(dú)特的線性能量色散關(guān)系、高遷移率、高熱導(dǎo)率以及優(yōu)異的力學(xué)性能等而在凝聚態(tài)物理及材料科學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)倍受關(guān)注。眾所周知，石墨烯的性質(zhì)受襯底的影響很大，常用的氧化硅襯底會(huì)引起額外的載流子散射和電聲相互作用而使其質(zhì)量下降很多。最近的研究發(fā)現(xiàn)，六方氮化硼由于其原子級(jí)平整的表面、無懸掛鍵、摻雜效應(yīng)弱等優(yōu)勢(shì)，可以最大限度地保持石墨烯的本征物理性質(zhì)。更重要的是，石墨烯在六方氮化硼上會(huì)形成二維超晶格結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算表明，這種二維超晶格可以調(diào)控石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，形成附加的狄拉克點(diǎn)，進(jìn)而為探索一系列新的物理現(xiàn)象，如Hofstadter Butterfly能譜，提供了有效手段。

　　然而，以往把石墨烯放在六方氮化硼表面需要采用物理轉(zhuǎn)移技術(shù)，會(huì)帶來加工和結(jié)構(gòu)的不確定性。例如，石墨烯和氮化硼有著1.7%的晶格失配，兩者不同的堆垛會(huì)產(chǎn)生不同的超晶格周期。不同的超晶格會(huì)對(duì)石墨烯能帶調(diào)制行為不同，打開能隙的大小也不同。另外，物理轉(zhuǎn)移技術(shù)還會(huì)帶來結(jié)構(gòu)的不均一、介面污染等問題。因此，如何控制石墨烯在六方氮化硼上的堆垛方式，從而使二維超晶格周期確定、大尺度均一、高質(zhì)量無污染，是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。

　　最近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)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、博士生楊威等與復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波教授、博士生陳國(guó)瑞、以及北京理工大學(xué)姚裕貴教授、博士劉鋮鋮等合作開展了六方氮化硼襯底上外延生長(zhǎng)石墨烯以及研究相關(guān)超晶格電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量方面的工作。他們?cè)谇捌谑┲苯由L(zhǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上(Nano Res.2011, 4, 315; Small 2012, 8,1429; Nano Res.2012, 5, 258)，以甲烷為氣源，通過遠(yuǎn)程等離子體增強(qiáng)的氣相外延技術(shù)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了六方氮化硼惰性襯底上石墨烯的可控范德爾瓦斯外延。這種外延的石墨烯具有大面積(只受襯底尺寸限制)、單晶、高質(zhì)量(最高載流子遷移率達(dá)到20,000 cm2V-1s-1)、層數(shù)可控(1到3層)等優(yōu)點(diǎn)。利用原子力顯微鏡直接觀察到外延石墨烯和氮化硼襯底具有零轉(zhuǎn)角的晶格堆垛方式，且由于晶格失配導(dǎo)致三角摩爾圖形出現(xiàn)，由此形成了約15納米周期的二維超晶格結(jié)構(gòu)。這種超晶格結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)石墨烯的能帶進(jìn)行改造，在超晶格布里淵區(qū)的M點(diǎn)形成新的狄拉克點(diǎn)。電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量的結(jié)果表明，在石墨烯本征狄拉克點(diǎn)兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)由二維超晶格結(jié)構(gòu)導(dǎo)致而出現(xiàn)的附加最小電導(dǎo)峰，分別對(duì)應(yīng)電子和空穴支超晶格狄拉克點(diǎn)。利用量子霍爾測(cè)量，觀察到單層石墨烯的狄拉克費(fèi)米子的半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)以及雙層石墨烯狄拉克點(diǎn)附近的八重簡(jiǎn)并。而且，他們還對(duì)單層石墨烯徑向電阻和霍爾電阻作了隨載流子濃度和磁場(chǎng)變化的二維譜研究，在超晶格狄拉克點(diǎn)附近觀測(cè)到了相應(yīng)的輸運(yùn)特性，觀測(cè)到簡(jiǎn)并度為二的超晶格朗道能級(jí)。這些結(jié)果為石墨烯的外延生長(zhǎng)以及二維超晶格的物理研究提供了新的方法和思路。

　　相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nature Materials(2013, 12, 792)上。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院的支持。