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利用Au(001)重構研究一維周期勢場對石墨烯能帶結構的調控作用

其原理是在石墨烯上施加一維周期性勢場,使石墨烯中自由電子的集體運動狀態受到一維勢場的調制,從而改變石墨烯的能帶結構。他們利用Au(001)表面特殊的、納米尺度的一維條帶重構(周期~1.44 nm)作為一維周期性勢場,僅僅需要利用化學氣相沉積 (CVD)的方法將石墨烯生長在其表面,就能達到精確調控石墨烯能帶結構的效果。

石墨烯是一種單原子層的二維材料,自被發現至今一直受到科學界和產業界的廣泛關注。不僅因為它突破了傳統觀念,是第一個真正意義上的二維材料,更在于它擁有許多奇特的物理化學性質。例如,石墨烯屬于零帶隙的半金屬材料,在費米面附近具有狄拉克錐狀能帶結構,因而擁有超高室溫載流子遷移率(15000 cm2v-1s-1)。但成也蕭何敗也蕭何,零帶隙狄拉克錐能帶結構帶來的超高載流子遷移率使它在光電器件領域大放異彩,也正因為缺少一個帶隙使石墨烯在場效應晶體管領域很難有大的作為。所以,如何精確調制石墨烯的能帶結構成為科研工作者孜孜不倦探求的目標。

利用Au(001)重構研究一維周期勢場對石墨烯能帶結構的調控作用

調制石墨烯能帶結構的方法已有不少報道,例如通過化學氮摻雜的方式來調控石墨烯的費米能級,或是將石墨烯加工成納米帶,使之成為全新的有帶隙的納米結構。近日,北京大學工學院張艷鋒點擊查看介紹)研究組發現了一種新的調制石墨烯能帶結構的方法。其原理是在石墨烯上施加一維周期性勢場,使石墨烯中自由電子的集體運動狀態受到一維勢場的調制,從而改變石墨烯的能帶結構。他們利用Au(001)表面特殊的、納米尺度的一維條帶重構(周期~1.44 nm)作為一維周期性勢場,僅僅需要利用化學氣相沉積 (CVD)的方法將石墨烯生長在其表面,就能達到精確調控石墨烯能帶結構的效果。經掃描隧道顯微鏡/譜(STM/STS)的研究證實,被調制后的石墨烯能帶中會產生兩個新的狄拉克點 (分別位于-1.73 eV和1.12 eV),然而其費米能級處仍保留本征的狄拉克錐狀結構。這一結果在實驗上證實了理論預言的一維周期勢場對石墨烯能帶結構的調控作用,對后續相關研究具有非常重要的參考價值。此外,由于金是和石墨烯相互作用較弱一個基底,該生長體系的發掘對于研究相對弱相互作用金屬基底表面石墨烯的生長和相關器件研究具有非常重要的意義。

該研究成果最近發表在《ACS Nano》雜志上,第一作者博士生周協波。相關器件測試的工作和北京大學物理學院吳孝松點擊查看介紹)課題組合作完成。

該工作得到了國家自然科學基金委、科技部和北京市科委項目的大力支持。

該論文作者為:Xiebo Zhou, Yue Qi, Jianping Shi, Jingjing Niu, Mengxi Liu, Guanhua Zhang, Qiucheng Li, Zhepeng Zhang, Min Hong, Qingqing Ji, Yu Zhang, Zhongfan Liu, Xiaosong Wu*, Yanfeng Zhang*

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b02548

Modulating the Electronic Properties of Monolayer Graphene Using a Periodic Quasi-One-Dimensional Potential Generated by Hex-Reconstructed Au(001)

ACS Nano,?2016,?10, 7550-7557, DOI: 10.1021/acsnano.6b02548

張艷鋒研究員簡介

張艷鋒研究員于2005年7月于中國科學院物理研究所凝聚態物理專業獲博士學位。2006年10月至2009年09月在日本東北大學多元物質科學研究所做博士后,其間獲得日本學術振興會(JSPS)外國人特別研究員項目的資助。2010年4月受聘北京大學優秀青年人才計劃(“百人計劃”),加入北京大學工學院材料科學與工程系,任職研究員,博士生導師。

利用Au(001)重構研究一維周期勢場對石墨烯能帶結構的調控作用

張艷鋒研究員

主要從事二維層狀材料(金屬量子薄膜、石墨烯、單原子層硫屬化合物及其異質結構等)的可控制備、精密表征、量子效應以及其誘導的新奇物理化學特性的研究。在Science,?Phys.?Rev. Lett.,?Nat. Commun.,?Nano Lett.,Chem. Soc. Rev.,?J. Am. Chem. Soc.等雜志共發表學術論文110余篇。相關工作也獲得了2005年度中國科學院杰出科技成就獎“薄膜/納米結構的控制生長和量子操縱”集體(完成人之一),2007年全國百篇優秀博士論文等獎勵。2012年獲得國家優秀青年科學基金的資助。2016年入選教育部長江學者獎勵計劃“青年項目”。

http://www.x-mol.com/university/faculty/18964

本文科研思路分析

Q:這項研究的最初目的是什么?或者說想法是怎么產生的?

A:在2013年看到了理論物理學界國際知名的S. G. Louie教授于2008年在Nature Physics上發表的一篇理論文章,預言了一維周期勢場調制下的石墨烯會呈現非常有趣的能帶結構。由于在實驗上非常難對石墨烯施加這種一維的周期性勢場,因此相關的實驗研究鮮有報道。我們課題組在前期的研究中發現Au(001)上天然存在的一維周期性重構對于單層二硫化鉬的電子結構有明顯的調制作用。后來我們就想利用這種周期性重構構建的一維周期性勢場來調控石墨烯的電子結構,從而證明S. G. Louie的理論預言。

Q:在研究中過程中遇到的最大挑戰在哪里?

A:最大的挑戰在于新出現的狄拉克點的嚴格確認。我們的樣品是利用常壓化學氣相沉積(CVD)方法在管式爐中制備的,之后再送進超高真空掃描隧道顯微鏡/隧道譜(UHV-STM/STS)系統進行表征。石墨烯表面不可避免地存在很多吸附雜質,這些雜質經常會吸附在針尖上,對于獲得可靠的STS數據來講是一個很大的挑戰。我們經過嚴格的打磨針尖和很多次重復試驗來驗證這個實驗結果。

Q:本項研究成果最有可能的重要應用有哪些?哪些領域的企業或研究機構最有可能從本項成果中獲得幫助?

A:這個工作偏基礎研究,對于石墨烯的生長機理研究和能帶調控具有很重要的意義。對于未來石墨烯的批量制備和器件應用具有一定的參考價值。

Q:其他您想和讀者們分享的

A:分享一句我最近讀到的一句話:

“新觀點總是被懷疑,經常被反對,不是因為別的,只是因為還沒有變得稀松平常”——約翰·盧克

本文來自X-MOL,本文觀點不代表石墨烯網立場,轉載請聯系原作者。

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