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lfaitaoyao金蟲 (著名寫手)
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我國在二維原子晶體hBN研究中獲進(jìn)展 已有5人參與
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二維原子晶體作為一種新型材料備受關(guān)注。近期，《自然-物理》（Nature Physics）雜志發(fā)表了中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在這一新興領(lǐng)域的重要發(fā)現(xiàn)。 二維原子晶體中的典型代表——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、原子級平整的表面并且表面沒有懸掛鍵，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，中國科學(xué)院大學(xué)物理學(xué)院的林曉教授和高鴻鈞院士與諾貝爾獎(jiǎng)獲得者英國曼徹斯特大學(xué)A. Geim教授和K. Novoselov教授等人合作，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，為了直接觀察并測定不同摩爾區(qū)域的石墨烯晶格常數(shù)的細(xì)微變化，林曉等人通過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)使得人們在原子尺度上對公度——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)工作得到了中國科學(xué)院、科技部“973”和國家自然科學(xué)基金委等計(jì)劃的支持。 |
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