中國儲能網(wǎng)訊：北京師范大學物理學系何林老師的研究團隊長期致力于通過晶格對稱性破缺來調(diào)控石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)和電學性質(zhì)。近幾年，他們在兩種典型的具有晶格對稱性破缺結(jié)構(gòu)（即石墨烯應變結(jié)構(gòu)和雙層有轉(zhuǎn)角石墨烯體系）的研究中取得了一系列重要的創(chuàng)新成果，在相關(guān)體系中實現(xiàn)了一系列新奇量子態(tài)的探測與調(diào)控。
最近，何林老師指導博士生白珂珂等人與北京大學化學學院的劉忠范/彭海琳教授指導的博士生周喻合作，在應變石墨烯的結(jié)構(gòu)及其電學性質(zhì)研究上又取得了重要進展。他們利用本課題組的掃描隧道顯微鏡（STM）對生長在Cu箔上的馬賽克石墨烯（局域氮參雜石墨烯）進行了系統(tǒng)測量，發(fā)現(xiàn)該樣品上能實現(xiàn)周期為幾個納米到幾十納米的準一維周期性褶皺（如圖1），這些準一維褶皺的長度大約在400納米到一微米之間。根據(jù)經(jīng)典薄膜理論，在石墨烯中實現(xiàn)周期為納米量級的褶皺，需要將石墨烯的尺寸縮小到10個納米以下。而在如此小尺寸的石墨烯上要施加一個應力使其產(chǎn)生周期的應變結(jié)構(gòu)遠遠超過了當前技術(shù)的極限，這一傳統(tǒng)認識一直制約著人們對石墨烯應變結(jié)構(gòu)的進一步深入研究。
何林指出他們在石墨烯中實現(xiàn)的納米尺度的準一維周期性褶皺超出了經(jīng)典薄膜理論的描述。在經(jīng)典薄膜理論中，具有一定厚度的薄膜在彎曲時存在一個中性面，中性面上的原子間距在薄膜彎曲時既不會被拉伸又不會被壓縮，而中性面以外的原子在薄膜彎曲時原子間距不是被拉伸就是被壓縮，從而產(chǎn)生一個彎曲，能阻礙薄膜的進一步彎曲。但是石墨烯是一種非常特殊的薄膜體系：它只有一層原子厚。這一特性導致石墨烯彎曲時幾乎沒有阻力（只需要考慮最近鄰碳原子p軌道雜化對體系能量的細微影響），因此該體系中納米尺度的褶皺不再符合經(jīng)典薄膜理論的描述，所以在實驗上能實現(xiàn)波長僅為幾個納米但長度達到400納米到一微米之間的準一維周期性褶皺（如圖1）。另外，該課題組的實驗結(jié)果還表明周期性的褶皺會在石墨烯中引入一個周期性的電勢，在其能帶結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生超晶格Dirac點，并可以在石墨烯中打開一個130 meV的帶隙。
北師大物理學系何林課題組在石墨烯研究方面取得重要進展
這一工作中報道的納米尺度的準一維周期性褶皺為石墨烯應變結(jié)構(gòu)的研究提供了前所未有的平臺，將極大地推動石墨烯應變工程（strain engineering）實驗上的發(fā)展。上述研究工作得到了國家自然科學基金、科技部973項目/重大研究計劃、教育部新世紀人才等項目的支持，物理學系的聶家財教授對該工作的完成也提供了重要的幫助。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在物理學國際頂級期刊《物理評論快報》上（K.-K. Bai, Y. Zhou, H. Zheng, L. Meng, H. Peng, Z. F. Liu, J.-C. Nie, and L. He, “Creating one-dimensional nanoscale periodic ripples in a continuous mosaic graphene monolayer”. Phys. Rev. Lett. Vol: 113, PP. 086102 (2014)）. http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.086102
