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中國人民大學(xué)Zhihai Cheng和Shanshan Chen等--扭曲雙層石墨烯層間旋轉(zhuǎn)的角度分辨光學(xué)成像
       扭曲雙層石墨烯(TBG)是一種典型的層狀材料,其性能與層間耦合密切相關(guān)。研究了具有不同取向的兩個堆疊石墨烯層,以產(chǎn)生獨特的光學(xué)和電子現(xiàn)象。因此,快速、可靠、無損的扭轉(zhuǎn)角識別技術(shù)至關(guān)重要。在這里,研究了集成了白光反射光譜(WLRS)、拉曼光譜和透射電子顯微鏡(TEM),提出了一種簡單的RGB光學(xué)成像技術(shù),該技術(shù)可以高效直觀地識別大面積TBG的扭曲角。RGB技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)圖像的RGB顏色通道中的層間旋轉(zhuǎn)角和對比度差之間建立了穩(wěn)健的相關(guān)性。角度分辨的光學(xué)行為歸因于吸收共振與TBG的態(tài)密度中的van Hove奇點的分離相匹配。因此,本次的研究開發(fā)了一種通過直接的光學(xué)方法識別堆疊雙層石墨烯旋轉(zhuǎn)角的方法,該方法可進一步應(yīng)用于其他堆疊范德華層狀材料。

 
圖1. (a) 在SiO2/Si襯底上轉(zhuǎn)移的CVD生長的多層石墨烯的光學(xué)圖像。(b–d)R、G和b通道對應(yīng)于(a)中的光學(xué)圖像。(d)中的插圖顯示了白色虛線的反射強度分布。(e,f)(a)中相同石墨烯疇的AFM形貌圖像(e)和相位圖像(f)。(g) (d)中標(biāo)記的色斑的拉曼光譜。

 
圖2. (a) 另一個雙層石墨烯結(jié)構(gòu)域的光學(xué)圖像。(b) 拉曼光譜對應(yīng)于(a)中標(biāo)記的彩色點。(c,d)(a)中相同區(qū)域的G峰值強度(b)和2D峰值(c)的FWHM的拉曼圖。(e–g)(a)中光學(xué)圖像的R、g和B通道圖像。(h) 從拉曼光譜和圖譜中推斷出用紅色、藍(lán)色和紫色方框標(biāo)記的不同扭曲區(qū)域。(i) WLRS對應(yīng)于三個扭曲區(qū)域。(j) 從反射光譜中獲得三個扭曲區(qū)域的吸收光譜。分別在R(560–800 nm)、G(450–600 nm)和B(350–540 nm)通道中進行的(k–m)WLRS映射。

 
圖3. (a) 旋轉(zhuǎn)堆疊的雙層石墨烯的示意圖,其中一層位于另一層的頂部。頂層和底層以一般角度θ相互旋轉(zhuǎn)。(b) 堆疊的石墨烯層的第一布里淵區(qū)如(a)所示。(c) TBG的能帶結(jié)構(gòu)圖和耦合Dirac錐的示意圖。兩個K點中間的雜交平坦帶之間的光學(xué)躍遷由綠色箭頭指示。(d) 扭曲角θ相關(guān)的Eab曲線如黑色實線所示。扭曲角θ根據(jù)其在RGB通道中的能量分散光學(xué)行為可分為五種類型。(e) 具體的五種類型的扭曲角是根據(jù)它們對應(yīng)的最大吸收能量Eab和RGB通道的波長范圍來識別的。

 
圖4. 通過RGB技術(shù)來區(qū)分具有不同旋轉(zhuǎn)角度的TBG樣本。TBG的RGB通道中的對比度差異由白色虛線框標(biāo)記。還顯示了每個樣品的標(biāo)記TBG區(qū)域和SLG區(qū)域的拉曼光譜以供參考。(a) I型(7.9–11.1°),對比度差異僅出現(xiàn)在R通道中。(b) II型(11.1–12.1°),對比度差異出現(xiàn)在R和G通道中。(c) III型(12.1–12.7°),對比度差異僅出現(xiàn)在G通道中。(d) IV型(12.7–16.1°),對比度差異出現(xiàn)在G和B通道中。(e) 類型V(16.1–23.3°),對比度差異僅出現(xiàn)在B通道中。

 
圖5. (a–c)在SiO2/Si襯底上轉(zhuǎn)移的多層石墨烯的光學(xué)圖像和相應(yīng)的R、G和B通道。比例尺均為20μm。(d) 將相同TBG的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像轉(zhuǎn)移到TEM網(wǎng)格上。通過精確定位,具有由第(a–c)部分中的白框標(biāo)記的五種扭轉(zhuǎn)角的TBG區(qū)域由網(wǎng)格上的彩色框標(biāo)記。(e–i)(d)中標(biāo)記的彩色框上的SAED圖案。(j) 典型Bernal堆疊雙層石墨烯的SAED圖案。

 
圖6. (a–d)通過RGB技術(shù)在大面積TBG樣本上的扭曲角分布。(e) 用于扭轉(zhuǎn)角測量的不同方法的比較,根據(jù)其可檢測尺寸、角度分辨率、成本效益、操作便利性、設(shè)備可及性和樣品制備的方便性進行分級。
 
       相關(guān)研究成果由中國人民大學(xué)Zhihai Cheng和Shanshan Chen等人2024年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsami.3c15839)上。原文:Angle-Resolved Optical Imaging of Interlayer Rotations in Twisted Bilayer Graphene

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