中國儲能網(wǎng)訊：以石墨烯為代表的二維材料具有優(yōu)良的電學(xué)性能和光學(xué)性能，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件、晶體管和光電器件。將石墨烯堆疊起來可以得到多層石墨烯。除了具有和體石墨相同的Bernal堆垛(即AB堆垛)方式的多層石墨烯之外，還可以在實驗室制備或者合成出不同石墨烯片層取向隨機的多層石墨烯，即轉(zhuǎn)角多層石墨烯。轉(zhuǎn)角多層石墨烯內(nèi)各子系統(tǒng)的層數(shù)不同和各子系統(tǒng)間旋轉(zhuǎn)角度的不同將使得其具有無限多的可能性，這無疑大大豐富了石墨烯材料的研究對象和研究內(nèi)容，例如單層或多層石墨烯堆垛方式的差異有可能導(dǎo)致石墨烯片層不同的層間耦合，從而影響其電子能帶結(jié)構(gòu)，使得轉(zhuǎn)角多層石墨烯具有與其堆垛方式相應(yīng)的各種各樣的光電性質(zhì)。
研究聲子振動模的拉曼光譜是表征石墨烯材料的最有效的技術(shù)手段之一。層間剪切和呼吸聲子模是多層石墨烯材料區(qū)別于單層石墨烯的獨特聲子振動模。近年來，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體超晶格國家重點實驗室研究員譚平恒研究組利用自己發(fā)展的超低波數(shù)拉曼技術(shù)已分別在多層石墨烯和多層旋轉(zhuǎn)石墨烯中觀察到了層間剪切模式[Nature Materials 11, 294-300 (2012)，Nat. Commun. 5:5309 (2014)]。然而，由于對稱性和較弱的電聲子耦合等原因，到目前為止科學(xué)家們還未能在常溫下觀察到多層石墨烯的層間呼吸模式。另外，譚平恒研究組提出的單原子鏈模型在只考慮最近鄰相互作用情況下已經(jīng)能完美介紹多層石墨烯層間剪切模式的物理性質(zhì)，但此模型能否應(yīng)用到層間呼吸模還不清楚。
最近，該研究組博士生吳江濱和研究員譚平恒等人與中國人民大學(xué)教授季威以及劍橋大學(xué)教授Ferrari合作，利用共振拉曼光譜技術(shù)，對轉(zhuǎn)角多層石墨烯的層間呼吸模進行了系統(tǒng)研究。他們發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)角多層石墨烯界面處的層間呼吸耦合與正常Bernal堆垛多層石墨烯的強度相當。此結(jié)果顯著地不同于層間剪切耦合，后者在轉(zhuǎn)角多層石墨烯界面處的層間剪切耦合減弱到了正常Bernal堆垛多層石墨烯的20%。第一性原理計算表明轉(zhuǎn)角多層石墨烯界面處的對稱性破缺是導(dǎo)致其剪切模和呼吸模表現(xiàn)出不同行為的主要原因。研究同時表明，多層石墨烯的呼吸模頻率隨其層數(shù)的變化關(guān)系用只考慮最近鄰相互作用的單原子鏈模型已無法正確描述。但是，如果加入次近鄰層間呼吸耦合，則可解釋實驗觀察到的轉(zhuǎn)角多層石墨烯的層間呼吸模頻率，并擬合得到多層石墨烯的次近鄰層間呼吸耦合為最近鄰的9%。這是在范德瓦爾斯二維晶體材料中第一次觀察到這種次近鄰的層間呼吸耦合。該研究成果表明，可通過觀察層間剪切模來探測轉(zhuǎn)角多層石墨烯中各Bernal堆垛子系統(tǒng)的層數(shù)，同時用層間呼吸模來探測其總的層數(shù)。
該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持，并于近期在線發(fā)表在美國化學(xué)會學(xué)術(shù)刊物ACS Nano上。譚平恒和季威為該論文的共同通訊作者。這項發(fā)現(xiàn)不僅是石墨烯拉曼光譜領(lǐng)域方面的重要進展，而且還可以推廣到其它由不同二維晶體材料堆垛而成的二維異質(zhì)結(jié)，使得超低頻拉曼光譜技術(shù)成為這種二維異質(zhì)結(jié)層間耦合的重要表征手段。
兩類轉(zhuǎn)角4層石墨烯的層間剪切模和層間呼吸模(doi: 10.1021/acsnano.5b02502)
