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魔幻角度会出现超导超晶格?---双层石墨烯扭曲的机遇与挑战
出处:nanomicroletter  录入日期:2020-09-15  点击数:78

  二维(2D)材料,特别是石墨烯,具有较强的物理,化学,电子和光学特性,引起极大关注。通过堆叠两个单层石墨烯来制造双层石墨烯。当这些层以小角度扭曲时,会形成扭曲的双层石墨烯(tBLG)超晶格。tBLG中紊乱和层间相互作用的存在增强了一些特性,包括光学和电学特性。

 


  Opportunities and Challenges in Twisted Bilayer Graphene: A Review
  Amol Nimbalkar & Hyunmin Kim*
  Nano‑Micro Lett.(2020)12:117
  本文亮点
  1. 该综述详细概述了扭曲双层石墨烯(tBLG)的制备技术以及与扭曲角度有关的特性。
  2. 通过控制两个石墨烯片之间的扭曲角来控制tBLG的特性。
  内容简介
  与块体材料相比,二维(2D)材料具有增强的物理,化学,电子和光学特性。由于石墨烯在不同类型的2D材料中具有卓越的物理和电子特性,因此引起极大关注。通过堆叠两个单层石墨烯来制造双层石墨烯。当这些层以小角度扭曲时,会形成扭曲的双层石墨烯(tBLG)超晶格。tBLG中紊乱和层间相互作用的存在增强了一些特性,包括光学和电学特性。迄今为止,对扭曲双层石墨烯的研究令人兴奋且充满挑战,尤其是在tBLG中以魔角报道了超导性之后。大邱庆北科学技术院Hyunmin Kim博士在本文中综述了扭曲双层石墨烯的制备技术及其依赖于扭曲角的特性的最新进展。
  图文导读
  I 扭曲双层石墨烯制备方法

 


  图1. (a)CVD制备扭曲双层石墨烯(tBLG)的合成工艺流程示意图;(b)使用半球形手柄分离单层石墨烯的示意图以及莫尔条纹形成的示意图;(c)用于制备扭曲双层石墨烯,双扭曲三层石墨烯(DTTG)的CRS方法示意图以及DTTG的光学显微镜图像;(d)单层石墨烯片的折叠过程示意图。
  II 扭曲双层石墨烯(tBLG)晶体和电子结构

 


  图2. (a)tBLG的带隙和能带范霍夫奇点的相应状态密度(DOS)的能带结构示意图;(b)tBLG的ARPES光谱; (c)具有不同扭转角的莫尔条纹的LDOS光谱; (d)不同结合能tBLG的恒定能量轮廓的叠加图;(e)扭曲角为6°和13°的tBLG的莫尔条纹,扭曲度为2.3°和5.9°的tBLG的STM图像。


  图3. 不同扭转角的tBLG的拉曼光谱。

 


  图4. (a)CVD生长的石墨烯的光反射图像,插图显示了具有扭曲角θ的tBLG的结构;(b)相同tBLG区域的暗场TEM,G波段和2D波段拉曼图像;(c)同一tBLG部分在三个不同激发波长处的宽视野G波段图像。
  III 光学性质

 


  图5. (a)一些相称和不相称的tBLG结构的光导率;(b)不同扭曲角tBLG样品的光导率;(c)不同栅极电压时tBLG(θ= 6.4°)的光导率。

 


  图6. (a)PL激发峰以θ= 11.2°,11.5°和16.3°调谐。(b)在1.26 eV激发下收集的tBLG的PL扫描图;(c)对于不同激光能量的石墨烯薄膜的线扫描结果;(d)入射光的偏振和光电流之间的关系以及上插图显示了不同的激光功率和检测到的光电流,下插图中具有不同扭曲角的样品的光电流。


  图7. (a)tBLG光检测装置的示意图;(b)tBLG光电检测设备的光学图像;(c)13°扭曲角度tBLG的拉曼G带强度mapping图;(d)在tBLG中,当激光关闭时,激光聚焦在7°的点A和13°的扭转角的点B上,电流与源极-漏极偏置曲线;(e,f)扫描光电流图像及其tBLG设备3D视图;(g)tBLG器件在扭曲角为7°的光点A和扭曲角为13°的光点B处,光电流图。
  IV 电学性质
  随着温度的升高,tMLG中每层的电导率缓慢增加并在约180 K处达到最大值,然后线性下降至300 K,这揭示了非单调电导率的变化,随着电导率的升高,半导体向金属的转化率显著提高。

 


  图8. (a)在90至273 K温度范围内,tMLG器件温度电导率σ的变化;(b 在50 mV下测量到的间歇性开关光电流的时间变化;(c)通过在不同温度下测量的电流(左)和电阻(右)的变化来表示光响应变化;(d)具有不同扭曲角的四个tBLG域的归一化电流分布;(e)具有不同扭转角的tBLG的层间电导;(f)tBLG器件的温度相关电阻率。
  V 超导性能
  在过去的几十年中,已经广泛研究了不同材料的异常超导行为,该综述总结了魔角石墨烯超晶格中的非常规超导性。

 


  图9. (a)tBLG和六方氮化硼夹心器件示意图;(b)迷你布里渊区是由两个石墨烯层的两个K(或K')波矢量之间的差构成的;(c)四探针电阻Rxx;(d)在零磁场(红色)和垂直磁场0.4 T(蓝色)中计算出的器件M1的两探针电导率;(e)电阻的温度特性。

 


  图10. (a)Rxx与磁场B和栅极电压Vg的关系曲线;(b) 不同温度下Rxx(Vg);(c)当密度调整到超导相时,ρ与温度的关系;(d) T = 280 mK,Vg = 0.58 V(红色)和0.50V(蓝色)时的电压-电流特性;(e) 电阻峰值的温度依赖性;(f)电阻阿伦尼乌斯图。
  VI 结论
  该综述总结了扭曲双层石墨烯(tBLG)不同制造方法,及其与tBLG相关的研领域。扭曲的双层石墨烯(tBLG)是一种新颖的结构,它显示出与堆叠的双层石墨烯不同的基本特性。tBLG的光学和电学性质的连续变化在很大程度上取决于两个石墨烯层之间的扭曲角(θ)。我们相信,tBLG光学性质的发展和变化将在未来的光电领域中得到广泛应用。
  作者简介

     

  Hyunmin Kim
  本文通讯作者
  大邱庆北科学技术院
  ▍主要研究领域
  拉曼光谱,光电检测器,石墨烯,染料敏化太阳能电池等。
  ▍Email: hyunmin.kim@dgist.ac.kr
  ▍个人主页:
  Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。

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