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利用非对称插层的三层石墨烯结构获得具有能隙的双层石墨烯

石墨烯因其优异的电学特性而在近年来备受科学界和工业界的极大关注。尽管石墨烯在高频器件、能源存储等领域显示了极大的应用潜能,但缺少能隙的天然质朴型石墨烯却严重限制了其在场效应逻辑电子器件领域的拓展。所以,石墨烯的能隙工程也一直是石墨烯研究领域的一大主题。近年,科学家主要以垂直外加电场模式和利用石墨烯边界量子效应两种方法实现对石墨烯的能隙调控。然而这两种方法在实际操作上都有明显的不足之处。如何能让石墨烯在自然且无损状态下实现大面积范围的能隙开启也一直是一大探索热点,实现这样功能的石墨烯新结构也必将对石墨烯在未来逻辑器件领域的应用铺垫出一条崭新的道路。
厦门大学软物Untitled质与生物仿生研究院(材料学院)詹达教授与新加坡南洋理工大学数理学院申泽骧教授及合作者对石墨烯插层结构进行了细致而深入的探索。 通过传统二区反应法来对少层石墨烯的插层结构进行研究,成功探索出获得基于氯化铁(FeCl3)的非对称插层石墨烯结构的实验条件。该结构在实空间垂直平面方向看去,分为三个相对独立部分,分别是单层石墨烯、FeCl3分子层以及双层石墨烯。空气中易潮解的氯化铁分子由于两边都被石墨烯碳原子层保护,变得非常稳定,而被氯化铁分子层分离的双层石墨烯部分则表现出了具有天然能隙的新特性,相关结果发表在Small上。
研究发现,利用传统的真空二区反应法制备工艺,并通过降低高温反应时间,可以实现基于FeCl3分子对三层石墨烯的非对称插层结构。该结构中,被FeCl3分子层分离的AB堆垛结构双层石墨烯因与FeCl3的电负性有很大差异,从而发生了强烈的电荷转移,这两层石墨烯与FeCl3电荷转移又因距离远近而非常不对等,导致形成一个内建的有效垂直电场。该有效电场对AB堆垛双层石墨烯结构的反演对称进行了强烈的破坏。从物理的直观表征上来看,这种新型非对称插层石墨烯结构的拉曼G模特征表现出与传统的质朴型三层石墨烯以及全插层三层石墨烯的明显不同,因为反演对称的破坏导致原本属于D3d分子点群的双层石墨烯演变为C3v结构,这让原本不具有拉曼活性的低频G模(Eu模式)得以激活而使得该结构的G模具有两个相邻的活性峰(G-和G+)。这种非对称插层三层石墨烯里形成的独立双层石墨烯新型结构的电子能带从原本在倒空间K点的连续变为打开,意味着这种具备天然能隙的石墨烯新型结构有可能在未来基于石墨烯的逻辑开关纳米电子器件领域中得以应用。

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