刘忠范-彭海琳课题组在旋转双层石墨烯光电器件研究中取得进展

石墨烯(graphene)是由单层碳原子构成的零带隙的二维晶体，具有狄拉克锥型的线性能带结构、超高的载流子迁移率及宽带光响应等特性。然而，无带隙的能带结构限制了石墨烯在场效应晶体管等电子器件领域以及光电领域的应用和发展。当两层石墨烯以不同旋转角度进行层间堆垛时，可构成一类新的二维碳材料——旋转双层石墨烯(twisted bilayer graphene)。双层石墨烯的堆垛方式(旋转角度)对其能带结构的调制显著，具有旋转角度依赖的新奇物理化学性质。旋转双层石墨烯不仅可保持单层石墨烯的狄拉克锥电子能带结构，还由于层间耦合作用在狄拉克点两侧M点产生两个鞍点和微带隙(minigap)，在电子态密度上引起两个范霍夫奇点，其相对位置由旋转角度决定，从而可能形成大小不同的奇点能量差。

旋转双层石墨烯材料兼顾了石墨烯的线性能带结构和范霍夫奇点形成的可调微带隙，可用于新型光电探测器的开发应用。当前旋转双层石墨烯的可控制备与器件应用相关研究尚处于起步阶段。北京大学化学与分子工程学院刘忠范-彭海琳课题组研究人员成功在铜箔衬底上制备了不同旋转角度的双层石墨烯，并与英国牛津大学陈宇林课题组合作，首次使用高空间分辨率的角分辨光电子能谱(Micro-ARPES)，直接解析了铜箔衬底上旋转双层石墨烯的能带结构，确认范霍夫奇点的存在，进而得到微带隙位置与旋转角度的依赖关系。研究发现在特定波长的光照射下，旋转双层石墨烯的光化学反应活性以及光电响应显著增强。利用波长选择性的光电相互作用增强机制，研究人员率先研制了旋转双层石墨烯光电探测器件，发现其光电流显著增强了6-7倍，再将旋转双层石墨烯与等离子激元纳米结构耦合，可使光电流进一步增强80倍。该工作表明，石墨烯家族的新成员——旋转双层石墨烯可为超快高敏高选择性光电探测应用开发提供新的机遇。

  图(A)CVD生长的旋转双层石墨烯单晶，旋转角为4度；(B)Micro-ARPES直接观测的旋转双层石墨烯的能带结构；(C-G)旋转双层石墨烯光电器件的示意图(C)、光学照片(D)、微区拉曼(E)、光电流分布平面图（F)与3D图(G)。

相关研究成果发表在《自然-通讯》【Jianbo Yin（尹建波），Huan Wang（王欢），Han Peng (彭晗)，Yulin Chen (陈宇林)，Hailin Peng（彭海琳），Zhongfan Liu（刘忠范），et al., Nature Communications 2016, 7, 10699. DOI: 10.1038/ncomms10699】和《纳米快报》上【Lei Liao（廖磊），Hailin Peng（彭海琳），Zhongfan Liu（刘忠范），et al.,Nano Letter 2015,15,5585】，并申请了发明专利。相关工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中组部人才基金和北京市科委的项目资助。

编辑：山石