物理所揭示锯齿形边缘石墨烯纳米带中的电声子耦合效应

2011-11-03 15:32 来源: 中国科学院
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  具有锯齿形边缘结构的石墨烯纳米带(Z-GNR)由于其独特的金属性边缘态,已成为石墨烯研究领域内的一种重要结构。大量理论预言表明,锯齿形边缘结构由于边界碳原子2p轨道上存在的非成键电子,导致了局域的自旋极化边缘电子态,并且边缘上电子自旋呈铁磁性排列,因此在自旋阀、自旋存储器件中将有着潜在的应用前景。因为以前缺少在原子尺度上精确控制石墨烯纳米带的边缘结构的方法,实验上探测锯齿形边缘结构的电声子特性一直是石墨烯研究领域一个具有挑战性的课题。

  中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)张广宇研究组在前期的研究工作中,利用气相反应离子刻蚀技术,首次实现了可控的石墨烯面内各向异性刻蚀技术【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】;并结合人工缺陷工程,首次实现了对石墨烯纳米结构的精确加工和剪裁【Advanced Materials 23,3061 (2011)】,制备出了尺寸可控(最小线宽达5纳米以下)、边缘可控(具有原子级平整的锯齿形边缘结构)的石墨烯纳米结构。

  最近,张广宇研究组的杨蓉博士等在先前的工作基础上,利用拉曼散射光谱技术,研究了具有锯齿形边缘结构的石墨烯纳米带的电声子耦合特性。他们首次在这种结构中观察到了G峰的劈裂(G--1583软化的E2g模式;G+-1594本征的E2g模式)。这种非应力效应导致的G峰劈裂可归因于锯齿形边缘结构独特的局域金属边缘态导致的“Peierls-like”金属屏蔽效应,从而产生了声子软化现象。两个劈裂G峰的相对强度与纳米带尺寸之间存在着强烈的依赖关系,当纳米带宽度小于5(±3nm)时,软化的G-峰仍然存在,而本征的G+峰消失,由此可确定局域边缘态的耦合范围为3~4nm。另外,G-峰可以作为Z-GNR的指纹峰,用以表征石墨烯纳米带的边缘结构。

  此外,结合偏振拉曼散射实验,他们还首次从实验上验证了具有锯齿形边缘结构的石墨烯纳米带的TO振动模式具有四重对称性。该结果为正确判定石墨烯纳米带声子振动特性的理论研究提供了实验依据。相关结果发表在近期Nano letters 11, 4083-4088 (2011)上。

  这项工作得到了中科院“百人计划”、国家自然科学基金和“973”项目的支持。

  论文链接

图1: 三种具有不同边缘结构的石墨烯纳米带的原子力显微像及对应的拉曼散射光谱,比较可见具有锯齿形边缘结构的石墨烯纳米带,其拉曼特征G峰发生劈裂。

图2: 具有原子级平整的锯齿形边缘结构的石墨烯纳米带的两个劈裂的G峰强度与纳米带尺寸的依赖关系

图3: 具有锯齿形边缘结构的石墨烯纳米带的偏振拉曼光谱