从一维原子链到二维晶体材料 科学报告.docVIP

从一维原子链到二维晶体材料 王华妹 目前，石墨烯材料的研究与应用十分热门，已经有公司推出了单层石墨烯作为手机屏幕的产品。而来自中国科学院半导体研究所的谭平恒研究员与他的团队一直从事碳纳米材料以及半导体低维材料的光学和电学性质研究，取得了丰厚的成果。这次讲座上，他深入浅出地为我们简略介绍了他们的研究过程与成绩，让我们对于相关领域内容有了具体的了解，也对于如何进展科研实验有了自己的思考和体会。 他介绍，正处于热门研究的二维超薄晶体材料有BN（类似金刚石）、半导体、超导体等，但二维材料的范围并不局限于单层材料。二维材料可单层，亦可多层，但要求对于多层材料分子层间作用力需为范德华力，层内为共价键作用力。大多数情况下，单层材料与多层比，性质会有很大改变，实验发现的参数变化举例如下： 即使层间范德华力很弱，也能够改变晶体材料的电子能带结构，如对于石墨烯。 单层材料为直接半导体的，多层时变成间接半导体。 改变拉曼光谱散射结果。 我们常说的石墨烯（定义为十层以内的石墨材料），拥有单原子二维晶体线性层带结构，故常温下有量子效应，且置于硅片衬底上裸眼可观测。 在对谭所在的半导体超晶格国家重点实验室重点研究的碳纳米材料的色散性拉曼振动模、单层和多层石墨烯的晶格振动光谱等内容进行了相对详细的介绍后，谭博士还讲述了他们的团队如何首先观察到多层石墨烯的层间耦合振动模，探测了多层石墨烯异质结的界面耦合强度，并将研究推广到其它二维异质结。 固体晶体具有一定振动模态。层间耦合作用即指二维晶体材料的层间振动模态，分为剪切模（具备拉曼活性--即可用拉曼手段检测）和呼吸模（红外活性）。由于同一层原子振动方向相同，近似的可将一层原子可看作一个原子，运用此前关于一维双原子链数学模型的结论可知，其振动模式由两个原子间的振动决定，这样就大大简化了计算量，使层间力常数可求，而实验测得结果也证明，此假设模型与实际数据拟合的很好。将此模型用于石墨烯，则N层石墨烯。看作N层原子，可解其振动。但需注意的是，层间耦合与层数无关，即层间振动力常数不随层数改变，尽管波数是改变的。 并且，谭博士的团队在技术改进上也有着新的突破，开发了基于单光栅光谱仪的超低波数拉曼光谱测试技术（激光用于测量，原本光栅越多，信号越弱）足以探测到极其小的振动波数，相关科研成果被称为低波数拉曼测试的世界纪录，不仅对其之后的深入研究起到了十分重要的发现作用，也被仪器厂商产品宣传资料多次采用。 该实验室还有一项十分重要的研究发现，就是多层转角石墨烯的共振拉曼散射现象。我们熟悉的多层石墨烯的堆垛方式有AA、ABC、AB（占自然界80%），而新发现的一种结构：转角石墨烯（如t 3+2 LG）具有碳原子排布疏松与紧密相间的特点，大大扩展石墨烯种类。不仅如此，实验团队还在拉曼手段下发现其振动的奇特现象：转角1+3层石墨烯层间剪切模态只相当于3层石墨烯的振动！对此做出的解释是：旋转后层间相互剪切振动减弱，看到的是子系统的振动模；但呼吸模振动仍为4层的特点，与体材料一致，应是电子能带变化的结果。这样的结论是由拉曼散射结果和不同层数的振动模型的计算结果进行数据比较得到的，这也是实验的常用方法，即发现现象-理论试解释-建立假说-实验符合-假说成立的科研过程。 对于呼吸模的线性链模型，实验组发现在特定条件下，存在次近邻耦合作用，这显示了实验中捕捉更多信息的重要性，一点点不寻常的细节都有可能开启一个新的研究方向，发现可探索的内容。最后，谭博士总结道：拉曼光谱称得上是研究石墨烯及相关层状材料最基本无损表征技术之一！ 这是一次别开生面的讲座，理论知识含量过大但难度不高，然而我们对相关领域并不熟悉，虽热理解起来费些头脑，但我也有了不少收获！