從一維原子鏈到二維晶體材料 科學(xué)報告

1、從一維原子鏈到二維晶體材料王華妹目前，石墨烯材料的研究與應(yīng)用十分熱門，已經(jīng)有公司推出 了單層石墨烯作為手機屏幕的產(chǎn)品。而來自中國科學(xué)院半導(dǎo)體研 究所的譚平恒研究員與他的團隊一直從事碳納米材料以及半導(dǎo) 體低維材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)研究，取得了豐厚的成果。這次講 座上，他深入淺出地為我們簡略介紹了他們的研究過程與成績， 讓我們對于相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)容有了具體的了解，也對于如何進(jìn)展科研 實驗有了自己的思考和體會。他介紹，正處于熱門研究的二維超薄晶體材料有BN （類似金 剛石）、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等，但二維材料的范圍并不局限于單層 材料。二維材料可單層，亦可多層，但要求對于多層材料分子層 間作用力需為范德華力，層內(nèi)

2、為共價鍵作用力。大多數(shù)情況下， 單層材料與多層比，性質(zhì)會有很大改變，實驗發(fā)現(xiàn)的參數(shù)變化舉 例如下：1、即使層間范德華力很弱，也能夠改變晶體材料的電子能帶結(jié) 構(gòu)，如對于石墨烯。2、單層材料為直接半導(dǎo)體的，多層時變成間接半導(dǎo)體。3、改變拉曼光譜散射結(jié)果。我們常說的石墨烯（定義為十層以內(nèi)的石墨材料），擁有單 原子二維晶體線性層帶結(jié)構(gòu)，故常溫下有量子效應(yīng)，且置于硅片 襯底上裸眼可觀測。在對譚所在的半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室重點研究的碳納 米材料的色散性拉曼振動模、單層和多層石墨烯的晶格振動光譜 等內(nèi)容進(jìn)行了相對詳細(xì)的介紹后，譚博士還講述了他們的團隊如 何首先觀察到多層石墨烯的層間耦合振動模，探測了多層

3、石墨烯 異質(zhì)結(jié)的界面耦合強度，并將研究推廣到其它二維異質(zhì)結(jié)。固體晶體具有一定振動模態(tài)。層間耦合作用即指二維晶體材料 的層間振動模態(tài)，分為剪切模（具備拉曼活性-即可用拉曼手段 檢測）和呼吸模（紅外活性）。由于同一層原子振動方向相同， 近似的可將一層原子可看作一個原子，運用此前關(guān)于一維雙原子 鏈數(shù)學(xué)模型的結(jié)論可知，其振動模式由兩個原子間的振動決定， 這樣就大大簡化了計算量，使層間力常數(shù)可求，而實驗測得結(jié)果 也證明，此假設(shè)模型與實際數(shù)據(jù)擬合的很好。將此模型用于石墨 烯，則N層石墨烯。看作N層原子，可解其振動。但需注意的 是，層間耦合與層數(shù)無關(guān)，即層間振動力常數(shù)不隨層數(shù)改變，盡 管波數(shù)是改變的。并且，

4、譚博士的團隊在技術(shù)改進(jìn)上也有著新的突破，開發(fā)了基 于單光柵光譜儀的超低波數(shù)拉曼光譜測試技術(shù)（激光用于測量， 原本光柵越多，信號越弱）足以探測到極其小的振動波數(shù)，相關(guān) 科研成果被稱為低波數(shù)拉曼測試的世界紀(jì)錄，不僅對其之后的深 入研究起到了十分重要的發(fā)現(xiàn)作用，也被儀器廠商產(chǎn)品宣傳資料 多次采用。該實驗室還有一項十分重要的研究發(fā)現(xiàn)，就是多層轉(zhuǎn)角石墨烯 的共振拉曼散射現(xiàn)象。我們熟悉的多層石墨烯的堆垛方式有AA、 ABC、AB （占自然界80%），而新發(fā)現(xiàn)的一種結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)角石墨 烯（如t（3+2）LG）具有碳原子排布疏松與緊密相間的特點，大大 擴展石墨烯種類。不僅如此，實驗團隊還在拉曼手段下發(fā)現(xiàn)其振 動的

5、奇特現(xiàn)象：轉(zhuǎn)角1+3層石墨烯層間剪切模態(tài)只相當(dāng)于3層石 墨烯的振動！對此做出的解釋是：旋轉(zhuǎn)后層間相互剪切振動減弱， 看到的是子系統(tǒng)的振動模；但呼吸模振動仍為4層的特點，與體 材料一致，應(yīng)是電子能帶變化的結(jié)果。這樣的結(jié)論是由拉曼散射 結(jié)果和不同層數(shù)的振動模型的計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)比較得到的，這 也是實驗的常用方法，即發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象-理論試解釋-建立假說-實驗符 合-假說成立的科研過程。對于呼吸模的線性鏈模型，實驗組發(fā)現(xiàn)在特定條件下，存在次 近鄰耦合作用，這顯示了實驗中捕捉更多信息的重要性，一點點 不尋常的細(xì)節(jié)都有可能開啟一個新的研究方向，發(fā)現(xiàn)可探索的內(nèi) 容。最后，譚博士總結(jié)道：拉曼光譜稱得上是研究石墨烯及相關(guān)