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
具有鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶(Z-GNR)由于其獨特的金屬性邊緣態(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、自旋存儲器件中將有著潛在的應用前景。因為以前缺少在原子尺度上精確控制石墨烯納米帶的邊緣結(jié)構(gòu)的方法，實驗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驗室（籌）張廣宇研究組在前期的研究工作中，利用氣相反應離子刻蝕技術(shù)，首次實現(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，首次實現(xiàn)了對石墨烯納米結(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5納米以下）、邊緣可控（具有原子級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）。這種非應力效應導致的G峰劈裂可歸因于鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)獨特的局域金屬邊緣態(tài)導致的“Peierls-like”金屬屏蔽效應，從而產(chǎn)生了聲子軟化現(xiàn)象。兩個劈裂G峰的相對強度與納米帶尺寸之間存在著強烈的依賴關(guān)系，當納米帶寬度小于5(±3nm)時，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)合偏振拉曼散射實驗，他們還首次從實驗上驗證了具有鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶的TO振動模式具有四重對稱性。該結(jié)果為正確判定石墨烯納米帶聲子振動特性的理論研究提供了實驗依據(jù)。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在近期Nano letters 11, 4083-4088 (2011)上。
這項工作得到了中科院“百人計劃”、國家自然科學基金和“973”項目的支持。
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應的拉曼散射光譜，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: 具有原子級平整的鋸齒形邊緣結(jié)構(gòu)的石墨烯納米帶的兩個劈裂的G峰強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
