中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：石墨烯（Graphene）以其優(yōu)異的載流子遷移率、力學(xué)性能等在凝聚態(tài)物理及材料科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的研究興趣并取得了巨大的進(jìn)展；而六方氮化硼（hBN）作為石墨烯的等電子體，具有一定的能隙、原子級(jí)平整的表面并且表面沒(méi)有懸掛鍵，非常適合于作為承載石墨烯的基底，構(gòu)成石墨烯/六方氮化硼（Graphene/hBN）異質(zhì)結(jié)構(gòu)。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，這種二維原子晶體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有許多獨(dú)特的物理現(xiàn)象。
六方氮化硼和石墨烯之間的晶格失配為1.8%，這使得由它們構(gòu)造的異質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出摩爾條紋；并且摩爾條紋的周期大小可以通過(guò)改變氮化硼和石墨烯兩個(gè)晶向之間的夾角φ而得到調(diào)節(jié)。之前人們的研究已發(fā)現(xiàn)這種摩爾周期勢(shì)可以在很大程度上改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，例如，超晶格狄拉克點(diǎn)，Hofstadter Butterfly能譜，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)等。然而直至目前，大家普遍認(rèn)為石墨烯放在氮化硼基底上不會(huì)引起結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。此外，不同研究組獲得的異質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)迥異，這一點(diǎn)一直令科學(xué)家們感到困惑。
最近，中國(guó)科學(xué)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)室高鴻鈞院士領(lǐng)導(dǎo)的研究組與諾貝爾獎(jiǎng)獲得者英國(guó)曼徹斯特大學(xué)A. Geim和K. Novoselov教授的研究組合作，將機(jī)械剝離的石墨烯精確轉(zhuǎn)移到六方氮化硼的基底上，得到不同夾角φ的Graphene/hBN異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用原子力顯微鏡（AFM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、拉曼（Raman）光譜等技術(shù)發(fā)現(xiàn)了這種異質(zhì)結(jié)體系的公度——非公度的轉(zhuǎn)變：當(dāng)石墨烯與氮化硼的夾角φ < 1°，為匹配氮化硼的晶格參數(shù)，石墨烯碳-碳鍵的鍵長(zhǎng)會(huì)改變，形成一種公度的超結(jié)構(gòu)；然而當(dāng)夾角φ > 1°時(shí)，石墨烯和氮化硼的晶格常數(shù)都沒(méi)有改變，構(gòu)成的是一種非公度結(jié)構(gòu)。在該工作中，首先用AFM發(fā)現(xiàn)了不同夾角Graphene/hBN樣品的楊氏模量分布不同。然后，為了直接觀察并測(cè)定不同摩爾區(qū)域的石墨烯晶格常數(shù)的細(xì)微變化，物理所的馬瑞松、盧建臣同學(xué)和郭海明博士等通過(guò)STM實(shí)驗(yàn)獲得單原子水平上的氮化硼上石墨烯的大面積精細(xì)表面結(jié)構(gòu)圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不同摩爾區(qū)域石墨烯的原子間距存在2.0 ± 0.6 %的差異。這一極細(xì)微晶格常數(shù)變化是公度——非公度轉(zhuǎn)變最明確、最直接的證據(jù)；這一發(fā)現(xiàn)使得人們?cè)谠映叨壬蠈?duì)公度——非公度轉(zhuǎn)變有了清晰、深入、全面、完整的認(rèn)識(shí)和掌握。最后，不同結(jié)構(gòu)樣品的性質(zhì)差異得到了Raman光譜以及電子輸運(yùn)測(cè)量結(jié)果的確認(rèn)和肯定。
發(fā)現(xiàn)并深入了解這種公度——非公度轉(zhuǎn)變有助于理解Graphene/hBN體系中新奇的現(xiàn)象并解答之前的疑惑。例如：在摩爾周期大于10納米（對(duì)應(yīng)于夾角φ < 1°）的樣品中可以觀察到在狄拉克點(diǎn)附近有能隙，而在小于10納米的樣品中很難觀察到。這一成果是石墨烯基礎(chǔ)研究方面的一個(gè)重要進(jìn)展。相關(guān)工作發(fā)表在《自然-物理》雜志上【Nature Physics, 10, 451–456, 2014】。此項(xiàng)工作得到了中國(guó)科學(xué)院、科技部973和國(guó)家自然科學(xué)基金委等計(jì)劃的支持。
相關(guān)工作鏈接：http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n6/full/nphys2954.html
圖一. 導(dǎo)電AFM觀察到不同的graphene/hBN樣品。a, b：摩爾周期分別為8 nm (a)和14 nm (b)的Graphene/hBN樣品的電阻分布圖。c, d：摩爾周期分別為8 nm (c)和 14 nm(d)的樣品的楊氏模量分布圖。e, f：在圖c, d中沿虛線(xiàn)方向的楊氏模量分布曲線(xiàn)。g：楊氏模量峰寬與摩爾周期的關(guān)系曲線(xiàn)。h：φ極大（=15°）樣品的楊氏模量分布圖。圖中標(biāo)尺均為10 nm。
圖二. Graphene/hBN的原子分辨STM實(shí)驗(yàn)結(jié)果。a：Grahpene/hBN的大面積STM圖像，可以清楚的看到起伏的摩爾條紋，摩爾周期為14 nm，標(biāo)尺為30 nm。b：小范圍的STM圖像，摩爾周期和石墨烯的原子分辨同時(shí)可見(jiàn)，標(biāo)尺為10 nm；插入圖為黑色方框中圖像的數(shù)值放大圖，原子分辨清晰可見(jiàn)，標(biāo)尺為1 nm。c：圖b紅色方框中的STM圖像的傅里葉變換圖。d：通過(guò)傅里葉變換分別得到了圖b四個(gè)方框區(qū)域中相對(duì)晶格常數(shù)值；黑色方框?qū)?yīng)區(qū)域的晶格較大。
圖三. 不同graphene/hBN樣品的拉曼光譜測(cè)量。a：三個(gè)樣品的拉曼2D峰曲線(xiàn)，綠色：摩爾周期為8 nm的樣品；紅色：摩爾周期為14 nm的樣品；藍(lán)色：摩爾周期為14 nm，但增加了上覆蓋hBN層的樣品。b：左側(cè)加hBN上覆蓋層的石墨烯器件示意圖。c：摩爾周期為14 nm的樣品的拉曼2D峰半高寬的空間分布圖，相應(yīng)于圖b，樣品左半部分有hBN上覆蓋層，右半部分沒(méi)有。d：與圖c相同樣品的2D峰幅度的空間分布圖。e：與圖c相同樣品的2D峰位置的空間分布圖。
