普渡大學Gary J. Cheng和華中科技大學葉鐳?Nano Letters:?激光壓印調諧石墨烯 – 氮化硼莫爾超晶格動態層間耦合

【引言】

由于二維材料具有無懸掛鍵和較強的楊氏模量的特性，在原子垂直尺度上堆疊各種二維材料可以形成范德華異質結構，通過改變二維材料之間的層間耦合能夠誘導異質結的光學和電學性質發生變化。然而，當前對二維材料的層間耦合缺乏準確的理解，使得范德華異質結構的預期性能的調控成為一個具有挑戰性的障礙。到目前為止，為了引入強層間耦合，施加壓力是一種可行方式。但是，如果壓力施加緩慢且壓力值不夠，會導致被壓的二維材料會彈回兩者之前的距離，而高壓沖擊可以實現較高的壓力值，卻會給目標二維材料帶來災難性損壞。因此尋求一種合適的施壓方式是十分必要的。

【成果簡介】

2018年12月10日，普渡大學Gary J. Cheng和華中科技大學葉鐳等人在Nano Letters在線發表了最新研究成果“Laser Shock Tuning Dynamic Interlayer Coupling in Graphene?Boron Nitride Moire? Superlattices”。該工作由普渡大學Gary J. Cheng和華中科技大學葉鐳等人共同完成。Prashant Kumar, 童磊，劉勁和Maithilee Motlag為共同第一作者，Gary J. Cheng，葉鐳和Joseph Irudayaraj為共同通訊。

【本文亮點】

激光壓印方法是研究異質結構層間耦合的有效方式。施加超快的高壓沖擊能夠調節異質結構的層間距離，這種層間距離的改變是永久性的，同時較短的激光沖擊持續時間能夠避免對材料帶來災難性的損傷并提高壓力。在激光壓印后，石墨烯/氮化硼/石墨烯(Gr / BN / Gr)異質結構拉曼光譜和吸收特性的改變，Gr / BN / Au展示的更優異的電子隧穿性能，以及量子點熒光壽命的變化都表明異質結構中更強的層間耦合。由此證明該方法可以很便捷地研究二維材料異質結構中層間距離和層間耦合之間的緊密關系，為未來對二維材料層間耦合調控的研究提供了一種強有力的手段。同時激光壓印有望提高二維材料光學、電學器件的性能，甚至誘發新的優秀性質，因此具有重要的應用意義。

【圖文導讀】

圖1.?Gr / BN / Gr異質結構的器件示意圖

a.激光沖擊壓印裝置示意圖。

b.瞬態激光壓力變化；插圖顯示了Gr / BN / Gr異質層的層間距離減小的示意圖。

c.晶格應變分布的第一原理計算。

d-g.?Gr/BN/Au器件的頂部石墨烯表面在沖擊之前（d和e）和之后（f和g）的光學顯微鏡圖像

圖2. Gr/BN/Gr異質結構在激光壓印前后的示意圖和拉曼測試

a-b. Gr/BN/Gr異質結構在激光壓印前后的示意圖。

c.BN、石墨烯、以及Gr/BN/Gr異質結構在激光壓印前后的拉曼光譜。

?圖3. Gr / BN / Au異質結構來研究電子隧穿行為

a.Gr / BN / Au隧穿異質層的示意圖。

b.激光沖擊前FN隧穿的示意圖。

c.激光沖擊后FN隧穿的示意圖。

d.激光沖擊前后Fowler-Nordheim曲線。

圖4. 量子點（QD）在不同光子態下的光子發射行為

a.在蓋玻片上的單個QD的時程熒光發射表現出明顯的“閃爍”，其在Gr / BN / Gr異質層上被抑制。

b-d.?在純石墨烯（b）、和激光沖擊之前（c）和之后（d）的Gr/BN/Gr異質層的單個QD的時程熒光發射。

?e-h. 在蓋玻片（e），石墨烯（f）和激光沖擊之前（g）和之后（h）的Gr/BN/Gr上的QD的熒光壽命成像顯微鏡（FLIM）圖像。

i.單個量子點在不同襯底上的時間相關單光子計數（TCSPC）衰減曲線。

j.各種量子點在不同底物上的熒光壽命的統計匯總。

【總結與展望】

這項工作利用激光壓印的方式，不僅可以消除在二維材料異質結構的構造過程產生的氣泡或者空隙，而且還可以誘導強層間耦合以改變它們的光學或電子特性，本文成功實現了Gr / BN / Gr異質結構的強層間耦合，并詳細研究了其光學和電學性質。值得注意的是，這種新型的激光壓印方法是一種強大的垂直結構調制方法，為深入理解基于各種二維異質結構的量子耦合增強開辟了一條新的途徑。

文獻鏈接：Laser Shock Tuning Dynamic Interlayer Coupling in Graphene–Boron Nitride Moiré Superlattices?(Nano Letters, 2018, DOI:?10.1021/acs.nanolett.8b03895)

本文由華中科技大學葉鐳團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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