物理所揭示鋸齒形邊緣石墨烯納米帶中的電聲子耦合效應(yīng)
具有鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶(Z-GNR)由于其獨(dú)特的金屬性邊緣態(tài)，已成為石墨烯研究領(lǐng)域內(nèi)的一種重要結(jié)構(gòu)。大量理論預(yù)言表明，鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)由于邊界碳原子2p軌道上存在的非成鍵電子，導(dǎo)致了局域的自旋極化邊緣電子態(tài)，并且邊緣上電子自旋呈鐵磁性排列，因此在自旋閥、自旋存儲(chǔ)器件中將有著潛在的應(yīng)用前景。因?yàn)橐郧叭鄙僭谠映叨壬暇_控制石墨烯納米帶的邊緣結(jié)構(gòu)的方法，實(shí)驗(yàn)上探測鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的電聲子特性一直是石墨烯研究領(lǐng)域一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。
中科院物理研究所/北京凝聚物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）張廣宇研究組在前期的研究工作中，利用氣相反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了可控的石墨烯面內(nèi)各向異性刻蝕技術(shù)【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】；并結(jié)合人工缺陷工程，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)石墨烯納米結(jié)構(gòu)的精確加工和剪裁【Advanced Materials 23，3061 (2011)】，制備出了尺寸可控（最小線寬達(dá)5納米以下）、邊緣可控（具有原子級(jí)平整的鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)）的石墨烯納米結(jié)構(gòu)。
最近，張廣宇研究組的楊蓉博士等在先前的工作基礎(chǔ)上，利用拉曼散射光譜技術(shù)，研究了具有鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶的電聲子耦合特性。他們首次在這種結(jié)構(gòu)中觀察到了G峰的劈裂（G1583軟化的E2g模式；G+-1594本征的E2g模式）。這種非應(yīng)力效應(yīng)導(dǎo)致的G峰劈裂可歸因于鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)獨(dú)特的局域金屬邊緣態(tài)導(dǎo)致的“Peierls-like”金屬屏蔽效應(yīng)，從而產(chǎn)生了聲子軟化現(xiàn)象。兩個(gè)劈裂G峰的相對(duì)強(qiáng)度與納米帶尺寸之間存在著強(qiáng)烈的依賴關(guān)系，當(dāng)納米帶寬度小于5(±3nm)時(shí)，軟化的G-峰仍然存在，而本征的G+峰消失，由此可確定局域邊緣態(tài)的耦合范圍為3~4nm。另外，G-峰可以作為Z-GNR的指紋峰，用以表征石墨烯納米帶的邊緣結(jié)構(gòu)。
此外，結(jié)合偏振拉曼散射實(shí)驗(yàn)，他們還首次從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了具有鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶的TO振動(dòng)模式具有四重對(duì)稱性。該結(jié)果為正確判定石墨烯納米帶聲子振動(dòng)特性的理論研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期Nano letters 11, 4083-4088 (2011)上。
這項(xiàng)工作得到了中科院“百人計(jì)劃”、國家自然科學(xué)基金和“973”項(xiàng)目的支持。
圖1: 三種具有不同邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶的原子力顯微像及對(duì)應(yīng)的拉曼散射光譜，比較可見具有鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶，其拉曼特征G峰發(fā)生劈裂。
圖2: 具有原子級(jí)平整的鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶的兩個(gè)劈裂的G峰強(qiáng)度與納米帶尺寸的依賴關(guān)系
圖3: 具有鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶的偏振拉曼光譜
