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利用Au(001)重构研究一维周期势场对石墨烯能带结构的调控作用

注:文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析


石墨烯是一种单原子层的二维材料,自被发现至今一直受到科学界和产业界的广泛关注。不仅因为它突破了传统观念,是第一个真正意义上的二维材料,更在于它拥有许多奇特的物理化学性质。例如,石墨烯属于零带隙的半金属材料,在费米面附近具有狄拉克锥状能带结构,因而拥有超高室温载流子迁移率(15000 cm2v-1s-1)。但成也萧何败也萧何,零带隙狄拉克锥能带结构带来的超高载流子迁移率使它在光电器件领域大放异彩,也正因为缺少一个带隙使石墨烯在场效应晶体管领域很难有大的作为。所以,如何精确调制石墨烯的能带结构成为科研工作者孜孜不倦探求的目标。


调制石墨烯能带结构的方法已有不少报道,例如通过化学氮掺杂的方式来调控石墨烯的费米能级,或是将石墨烯加工成纳米带,使之成为全新的有带隙的纳米结构。近日,北京大学工学院张艳锋点击查看介绍研究组发现了一种新的调制石墨烯能带结构的方法。其原理是在石墨烯上施加一维周期性势场,使石墨烯中自由电子的集体运动状态受到一维势场的调制,从而改变石墨烯的能带结构。他们利用Au(001)表面特殊的、纳米尺度的一维条带重构(周期~1.44 nm)作为一维周期性势场,仅仅需要利用化学气相沉积 (CVD)的方法将石墨烯生长在其表面,就能达到精确调控石墨烯能带结构的效果。经扫描隧道显微镜/谱(STM/STS)的研究证实,被调制后的石墨烯能带中会产生两个新的狄拉克点 (分别位于-1.73 eV和1.12 eV),然而其费米能级处仍保留本征的狄拉克锥状结构。这一结果在实验上证实了理论预言的一维周期势场对石墨烯能带结构的调控作用,对后续相关研究具有非常重要的参考价值。此外,由于金是和石墨烯相互作用较弱一个基底,该生长体系的发掘对于研究相对弱相互作用金属基底表面石墨烯的生长和相关器件研究具有非常重要的意义。


该研究成果最近发表在《ACS Nano》杂志上,第一作者博士生周协波。相关器件测试的工作和北京大学物理学院吴孝松点击查看介绍课题组合作完成。


该工作得到了国家自然科学基金委、科技部和北京市科委项目的大力支持。


该论文作者为: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


张艳锋研究员简介


张艳锋研究员于2005年7月于中国科学院物理研究所凝聚态物理专业获博士学位。2006年10月至2009年09月在日本东北大学多元物质科学研究所做博士后,其间获得日本学术振兴会(JSPS)外国人特别研究员项目的资助。2010年4月受聘北京大学优秀青年人才计划(“百人计划”),加入北京大学工学院材料科学与工程系,任职研究员,博士生导师。

张艳锋研究员


主要从事二维层状材料(金属量子薄膜、石墨烯、单原子层硫属化合物及其异质结构等)的可控制备、精密表征、量子效应以及其诱导的新奇物理化学特性的研究。在Science, Phys. Rev. Lett., Nat. Commun., Nano Lett., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc.等杂志共发表学术论文110余篇。相关工作也获得了2005年度中国科学院杰出科技成就奖“薄膜/纳米结构的控制生长和量子操纵”集体(完成人之一),2007年全国百篇优秀博士论文等奖励。2012年获得国家优秀青年科学基金的资助。2016年入选教育部长江学者奖励计划“青年项目”。


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


本文科研思路分析


Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?

A:在2013年看到了理论物理学界国际知名的S. G. Louie教授于2008年在Nature Physics上发表的一篇理论文章,预言了一维周期势场调制下的石墨烯会呈现非常有趣的能带结构。由于在实验上非常难对石墨烯施加这种一维的周期性势场,因此相关的实验研究鲜有报道。我们课题组在前期的研究中发现Au(001)上天然存在的一维周期性重构对于单层二硫化钼的电子结构有明显的调制作用。后来我们就想利用这种周期性重构构建的一维周期性势场来调控石墨烯的电子结构,从而证明S. G. Louie的理论预言。


Q:在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里?

A:最大的挑战在于新出现的狄拉克点的严格确认。我们的样品是利用常压化学气相沉积(CVD)方法在管式炉中制备的,之后再送进超高真空扫描隧道显微镜/隧道谱(UHV-STM/STS)系统进行表征。石墨烯表面不可避免地存在很多吸附杂质,这些杂质经常会吸附在针尖上,对于获得可靠的STS数据来讲是一个很大的挑战。我们经过严格的打磨针尖和很多次重复试验来验证这个实验结果。


Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?

A:这个工作偏基础研究,对于石墨烯的生长机理研究和能带调控具有很重要的意义。对于未来石墨烯的批量制备和器件应用具有一定的参考价值。


Q:其他您想和读者们分享的

A:分享一句我最近读到的一句话:

“新观点总是被怀疑,经常被反对,不是因为别的,只是因为还没有变得稀松平常”——约翰·卢克


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