半導體所在多層石墨烯邊界的拉曼光譜研究方面獲進(jìn)展

單層石墨烯(SLG)因為其近彈道輸運和高遷移率等獨特性質(zhì)以及在納米電子和光電子器件方面所具有的潛在應用而受到了廣泛的研究和關(guān)注。每個(gè)SLG樣品都存在邊界，且SLG與邊界相關(guān)的物理性質(zhì)強烈地依賴(lài)于其邊界的取向。在本征SLG邊界的拉曼光譜中能觀(guān)察到一階聲子模-D模，而在遠離邊界的位置卻觀(guān)察不到。研究發(fā)現邊界對D模的貢獻存在一臨界距離hc，約為3.5納米。但D模的倍頻模-2D模在本征SLG邊界和遠離邊界處都能被觀(guān)察到。因此，D模成為研究SLG的晶疇邊界、邊界取向和雙共振拉曼散射過(guò)程的有力光譜手段。

SLG具有兩種基本的邊界取向：“扶手椅”型和“之”字型。與SLG不同，多層石墨烯(MLG)中每一石墨烯層都具有各自的邊界以及相應的邊界取向。對于實(shí)際的MLG樣品，其相鄰兩石墨烯層的邊界都存在一個(gè)對齊距離h。h可以長(cháng)到數微米以上，也可短到只有幾個(gè)納米的尺度。當MLG的所有相鄰兩石墨烯層的h等于0時(shí)，我們稱(chēng)之為MLG的完美邊界情況。MLG邊界復雜的堆垛方式以及存在不同h和取向可顯著(zhù)影響其邊界的輸運性質(zhì)、納米帶的電子結構和邊界局域態(tài)的自旋極化等性質(zhì)。盡管SLG邊界的拉曼光譜已經(jīng)被系統地研究，但由于MLG邊界復雜的堆垛方式，學(xué)界對其拉曼光譜的研究還非常少。

最近，中國科學(xué)院半導體研究所博士生張昕、厲巧巧和研究員譚平恒等人，對MLG邊界的拉曼散射進(jìn)行了系統研究。他們首先對MLG邊界進(jìn)行了歸類(lèi)，發(fā)現N層石墨烯(NLG)的基本邊界類(lèi)型為NLGjE，即具有完美邊界的jLG置于(N-j) LG上。因此，雙層石墨烯(BLG)的邊界情況可分為BLG1E+SLG1E和BLG2E兩種情況。研究發(fā)現：(1)NLG1E邊界與具有缺陷結構的NLG的D模峰形相似，其2D模則為NLG和(N-1)LG的2D模的疊加。(2)在激光斑所覆蓋區域的多層石墨烯邊界附近，相應層數石墨烯的2D模強度與其面積成正比，而相應的D模強度則與在臨界距離內的對齊距離(如果h<hc)以及邊界長(cháng)度有關(guān)。（3）對于BLG1E附近的2D模，隨著(zhù)h從亞微米尺度逐步減少到0時(shí)，來(lái)自SLG部分的強度從極大值逐步減小至0，而來(lái)自BLG部分的強度則保持不變。對于BLG1E附近的D模，隨著(zhù)h從亞微米尺度逐步減少到0時(shí)，來(lái)自SLG部分的強度先從0增加到極大值，一旦h<hc時(shí)，該強度再逐漸減小到0，而來(lái)自BLG1E部分的強度先保持常數不變，一旦h<hc時(shí)，再逐漸增加到該常數的2倍。（4）通過(guò)BLG邊界處2D模的線(xiàn)型和強度，在雙層石墨烯邊界中成功地鑒別出h為48nm的情況；通過(guò)BLG邊界處D模的線(xiàn)型和強度，甚至能鑒別出h小于3.5nm的情況。這些尺寸已經(jīng)遠超出了激光斑點(diǎn)的衍射極限，是一般表征手段無(wú)法達到的。該系列研究工作近期發(fā)表于Nanoscale 6, 7519-7525(2014)和Carbon 85, 221-224(2015)。

這些重要發(fā)現為多層石墨烯邊界的進(jìn)一步系統研究奠定了基礎，同時(shí)為其他二維材料的邊界研究提供了參考。該工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持。