Nat. Mater. 南京大學研發新型微結構材料：表面聲子石墨烯

【引言】

對于波和粒子在不同介質中的可控傳輸是推動現代信息通訊發展的主要動力。在強散射源或者雜質的影響下，波或者粒子在強散射介質中表現出了很多傳輸特性，例如，局域、隧穿、彈道、擴散型傳輸等。石墨烯及類石墨烯二維材料的出現為材料設計提供了一種獨特的解決方案。

【成果簡介】

最近，來自南京大學固體微結構物理國家重點實驗室、現代工程與應用科學學院及人工微結構科學與技術協同創新中心的劉曉平教授、盧明輝教授及陳延峰教授（共同通訊）首次實現了一種集成于壓電鈮酸鋰（LiNbO3）基底的新型微結構材料——表面聲波類石墨烯。

實驗中在壓電材料基底上利用電化學方法生長了金屬微錐的蜂窩狀陣列。每一個金屬微錐就可以當作是一個聲學振子，這些金屬微錐之間的相互作 用形成了表面聲子，這些表面聲子滿足狄拉克方程中所描述的狄拉克表面聲子。通過測量表面聲波來表征其在這一類石墨烯二維材料中的傳輸特點。實驗結果表明，表面聲波會發生擴散，同時可以觀察到其ZB效應（Zitterbewegung effects）。

這項工作具有重要的理論意義和實用價值，為開發新型的集成電子器件提供了新的思路，也為研究相關的物理理論提供了新的平臺。

【圖文導讀】

圖1 聲子石墨烯的表面結構

a，聲子石墨烯的結構示意圖。表面聲子石墨烯帶生長在鈮酸鋰襯底上的Cr-Cu晶種層上，表面聲波以60MHz至80MHz的頻率沿Z軸方向傳播。

b，聲子石墨烯的SEM圖片。圖中蜂窩狀的鎳金屬微柱通過電化學的方法沉積在LiNbO3襯底上。圖c是錐狀圓柱體的示意圖。其高度、底面半徑、側面與底面交角分別為8.90μm，5.35μm和85°。

圖2 表面聲波的傳輸特性

a是聲子石墨烯沿Γ-K方向的計算分布。

b是實驗測得的傳輸譜圖。圖中黑色曲線對應的是僅以平面襯底作為參照的表面聲波傳輸，紅色曲線對應表面聲波沿Γ-K方向的傳輸。

c是近狄拉克點的等頻率線。在K/K’點處，表面聲波能量通量存在于二維空間的各個方向。

d是表面聲波傳輸系數和帶狀樣品厚度間的關系曲線。紅線對應的入射表面聲波頻率為71.8MHz，藍線對應的入射表面聲波頻率為66.5MHz。右圖是這兩種傳輸條件下的模擬彈性能量密度。

圖3 表面聲波的時域透射信號

a為偏離狄拉克頻率（66.5MHz）的表面聲波的時域透射信號。

b-d 是在狄拉克頻率為71.8MHz處表面聲波的時域透射信號。

e是入射高斯脈沖帶寬與共振頻率的關系圖。當表面聲波的激發頻率處于狄拉克錐的線性擴散區域中時，共振頻率隨帶寬線性增加，實驗誤差主要來源于時域測量中的電子約翰遜噪聲導致的信號波動。

f是表面聲波平均傳輸速率的理論時域和實驗測得的帶狀樣品的表面聲波脈沖能量通量的變化率。圖中藍色曲線為理論值，紅色曲線為實驗值。

文獻鏈接：Surface phononic grapheme?(Nat. Mater. , 2016, DOI:10.1038/NMAT4743)

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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