石墨烯因其獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)而具有諸多優(yōu)異性能，但其零能隙特征極大地限制了它在電子學(xué)器件上的應(yīng)用。近年來，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、中科院院士高鴻鈞帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料的制備、物性調(diào)控及應(yīng)用等方面開展研究，取得了一系列重要研究成果。他們采用分子束外延生長方法制備出了多種大面積、高質(zhì)量的石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料，如外延石墨烯、三分之一氫化石墨烯、硅烯、鍺烯、二硒化鉑與銅硒二維原子晶體等；2) 實(shí)現(xiàn)了石墨烯的多種單質(zhì)元素的插層；3) 揭示了單晶表面上石墨烯插層的普適機(jī)制；4) 構(gòu)建空氣中穩(wěn)定的硅烯/石墨烯異質(zhì)結(jié)等。

不同堆垛方式的雙層石墨烯由于其豐富奇異的物理性質(zhì)，備受關(guān)注。其中，AB堆垛的雙層石墨烯不僅分享了單層石墨烯的優(yōu)異性質(zhì)，而且在破壞兩層石墨烯反演對稱性的情況下可誘導(dǎo)出非零能隙，促進(jìn)了它在電子學(xué)及光電子學(xué)器件方面的應(yīng)用。雙層石墨烯中能隙的打開可通過外加電場、應(yīng)力或者在兩層石墨烯表面吸附原子/分子進(jìn)而構(gòu)建電勢差等方式實(shí)現(xiàn)。理論計(jì)算表明，將兩種不同的方式結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)更大的能隙。因此，通過不同的方式協(xié)同實(shí)現(xiàn)雙層石墨烯中較大能隙的打開對石墨烯的應(yīng)用具有十分重要的意義。

近日，該研究團(tuán)隊(duì)在大面積、高質(zhì)量AB堆垛雙層石墨烯的可控制備及其能隙調(diào)控方面取得研究進(jìn)展。他們此前在Ru(0001)表面實(shí)現(xiàn)了厘米尺寸、單晶、AB堆垛雙層石墨烯的可控生長。在此基礎(chǔ)上，通過硅插層技術(shù)在雙層石墨烯和Ru襯底的界面處實(shí)現(xiàn)了硅烯的插層生長（圖1)。硅烯的插層有效地削弱了底層石墨烯與Ru基底之間的相互作用，使得雙層石墨烯的本征性質(zhì)得以恢復(fù)；此外，拉曼（Raman）光譜中石墨烯的2D特征峰出現(xiàn)較大的藍(lán)移，預(yù)示著在雙層石墨烯中存在壓應(yīng)力(圖2)。進(jìn)一步角分辨光電子能譜（ARPES）研究發(fā)現(xiàn)，雙層石墨烯受到電子摻雜，并在K點(diǎn)處打開了一個(gè)0.2 eV的較大能隙（圖3(a)）。但是，自由的AB堆垛雙層石墨烯是沒有能隙的。為了理解這一能隙產(chǎn)生的機(jī)制，研究人員利用密度泛函理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，基于Ru上雙層石墨烯與硅烯形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶顯示，在費(fèi)米面附近打開了0.2 eV的能隙（圖3(b)，(c)），與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。但是，在這個(gè)體系中石墨烯同時(shí)存在壓應(yīng)力及電子摻雜，0.2 eV能隙產(chǎn)生的原因并不明朗。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，如果施加與實(shí)驗(yàn)同等大小的摻雜濃度（或應(yīng)力），只能使AB堆垛雙層石墨烯打開小于0.06 eV的能隙（圖4(a)，(b)），遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)觀測值。研究進(jìn)一步考慮了在具有應(yīng)力的雙層石墨烯上同時(shí)進(jìn)行電子摻雜，其可以在低濃度電子摻雜下打開一個(gè)大的帶隙（圖4(c)）。這一能隙的打開并不是由單純應(yīng)力與單純摻雜分別引起的能隙的簡單加和，而是電子摻雜和壓應(yīng)力協(xié)同作用的結(jié)果。該工作提供了一種調(diào)控石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的新方法，對功能石墨烯器件的構(gòu)造具有重要價(jià)值。

相關(guān)成果發(fā)表在Nano Letters上。該工作得到了科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委和中科院的資助。

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圖1 雙層石墨烯/Ru界面處硅烯的插層。(a)-(b) 硅烯插層過程示意圖；(c)-(d) 硅烯插層前后的LEED圖像；(e)-(f) 硅烯插層前后STM圖像。

圖2 硅烯插層前后雙層石墨烯的Raman光譜分析。(a) Ru表面硅烯插層前后單層石墨烯及雙層石墨烯的Raman光譜對比；(b) 硅烯插層前后雙層石墨烯的2D特征峰的分析擬合。

圖3 硅烯插層后雙層石墨烯的電子結(jié)構(gòu)。(a) 雙層石墨烯的ARPES譜；(b) 優(yōu)化后的起伏雙層石墨烯/硅烯/Ru的原子結(jié)構(gòu)模型；(c)基于(b)中結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)，紅點(diǎn)組成了投影到雙層石墨烯上的能帶結(jié)構(gòu)。

圖4 分別考慮摻雜或應(yīng)力時(shí)雙層石墨烯的能帶分析。(a) 僅考慮來自硅烯/Ru襯底的摻雜效應(yīng)時(shí)雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)；(b) 僅考慮雙層石墨烯起伏/應(yīng)力情況下的能帶結(jié)構(gòu)；(c) 同時(shí)考慮摻雜和起伏/應(yīng)力時(shí)雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)。