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利用非對稱插層的三層石墨烯結構獲得具有能隙的雙層石墨烯

石墨烯因其優異的電學特性而在近年來備受科學界和工業界的極大關注。盡管石墨烯在高頻器件、能源存儲等領域顯示了極大的應用潛能,但缺少能隙的天然質樸型石墨烯卻嚴重限制了其在場效應邏輯電子器件領域的拓展。所以,石墨烯的能隙工程也一直是石墨烯研究領域的一大主題。近年,科學家主要以垂直外加電場模式和利用石墨烯邊界量子效應兩種方法實現對石墨烯的能隙調控。然而這兩種方法在實際操作上都有明顯的不足之處。如何能讓石墨烯在自然且無損狀态下實現大面積範圍的能隙開啟也一直是一大探索熱點,實現這樣功能的石墨烯新結構也必将對石墨烯在未來邏輯器件領域的應用鋪墊出一條嶄新的道路。
廈門大學軟物Untitled質與生物仿生研究院(材料學院)詹達教授與新加坡南洋理工大學數理學院申澤骧教授及合作者對石墨烯插層結構進行了細緻而深入的探索。 通過傳統二區反應法來對少層石墨烯的插層結構進行研究,成功探索出獲得基于氯化鐵(FeCl3)的非對稱插層石墨烯結構的實驗條件。該結構在實空間垂直平面方向看去,分為三個相對獨立部分,分别是單層石墨烯、FeCl3分子層以及雙層石墨烯。空氣中易潮解的氯化鐵分子由于兩邊都被石墨烯碳原子層保護,變得非常穩定,而被氯化鐵分子層分離的雙層石墨烯部分則表現出了具有天然能隙的新特性,相關結果發表在Small上。
研究發現,利用傳統的真空二區反應法制備工藝,并通過降低高溫反應時間,可以實現基于FeCl3分子對三層石墨烯的非對稱插層結構。該結構中,被FeCl3分子層分離的AB堆垛結構雙層石墨烯因與FeCl3的電負性有很大差異,從而發生了強烈的電荷轉移,這兩層石墨烯與FeCl3電荷轉移又因距離遠近而非常不對等,導緻形成一個内建的有效垂直電場。該有效電場對AB堆垛雙層石墨烯結構的反演對稱進行了強烈的破壞。從物理的直觀表征上來看,這種新型非對稱插層石墨烯結構的拉曼G模特征表現出與傳統的質樸型三層石墨烯以及全插層三層石墨烯的明顯不同,因為反演對稱的破壞導緻原本屬于D3d分子點群的雙層石墨烯演變為C3v結構,這讓原本不具有拉曼活性的低頻G模(Eu模式)得以激活而使得該結構的G模具有兩個相鄰的活性峰(G-和G+)。這種非對稱插層三層石墨烯裡形成的獨立雙層石墨烯新型結構的電子能帶從原本在倒空間K點的連續變為打開,意味着這種具備天然能隙的石墨烯新型結構有可能在未來基于石墨烯的邏輯開關納米電子器件領域中得以應用。

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