周樹云研究組NanoARPES實驗揭示三層石墨烯不同堆疊方式對能帶結構的影響

【成果簡介】

周樹云研究組利用NanoARPES實驗，測量到三種具有不同堆疊方式（ABA、ABC和AAA）的三層石墨烯的不同能帶結構，并且通過擬合得到能帶的躍遷參數。研究成果以“Stacking-Dependent Electronic Structure of Trilayer Graphene Resolved by Nanospot Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy”為題發表在2月22日的Nano Letters期刊上。

【圖文導讀】

圖1 三層石墨烯的三種不同堆疊方式及其計算時相應的電子結構

（a-c）AAA、ABA、ABC堆疊的示意圖。主要的躍遷參數如圖所示。

（d-f）AAA、ABA、ABC堆疊在γ₀、γ₁、γ₃為參數的緊密結合模型中沿Γ-K-M方向的理論π帶。

圖2 NanoARPES測量結果

（a）利用NanoARPES測量到的費米能以下0.1到0.5eV強度積分的空間分布圖。

（b-d）分別對應圖（a）中字母所示區域的實驗和理論能帶結構以及相應的石墨烯堆疊方式示意圖。

【研究內容】

石墨烯的許多奇異的性質來源于動量空間K點附近的線性色散關系（稱為狄拉克錐）。在多層石墨烯中，不同的堆疊方式將影響層間的相互作用，從而極大地改變其能帶結構。最近，周樹云研究組利用緊聚焦的具有百納米級空間分辨率的角分辨光電子能譜（NanoARPES），直接測量到三種具有不同堆疊方式（ABA、ABC和AAA）的三層石墨烯的不同能帶結構，并且通過擬合得到能帶的躍遷參數，為今后的理論和實驗研究提供了重要的基礎。

三層石墨烯除了自然界中最常見、最穩定的ABA（Bernel）堆疊方式以外，還有AAA和ABC兩種堆疊方式。這些不同的堆疊方式導致這三種三層石墨烯在費米能附近具有不同的能帶結構。由于具有后兩種堆疊方式的石墨烯比較稀少而且尺寸遠小于常規角分辨光電子能譜（ARPES）實驗所用光斑的大小，因此常規ARPES實驗難以將它們區分開來從而獲得清楚的能帶。利用波帶片將光斑進一步緊聚焦到百納米量級，NanoARPES實驗可以獲得常規ARPES所不能提供的高空間分辨率，并且得到樣品各個不同區域的能帶結構。周樹云研究組利用NanoARPES實驗，在外延石墨烯中觀測到了微米級大小的不同方式堆疊的石墨烯疇，并且得到它們的獨特能帶結構，通過擬合實驗結果還給出了不同堆疊方式的石墨烯的層內和層間的躍遷參數。ABC堆疊的石墨烯的最大特點是其在費米能處電子的色散很小，即所謂的“flat band”，導致了其費米能處的態密度大大增加，為超導提供了一種可能性；并且在外加垂直電場的情況下，費米能處的“flat band”會打開能隙并且能隙大小可由電場強度來調控，這些新奇的物理和應用前景使其備受關注。

該研究得到國家自然科學基金委、國家科技部和清華大學自主研發項目經費的支持。清華大學物理系的周樹云教授為該文的通訊作者，物理系博士生鮑昌華為文章的第一作者。合作者包括法國SOLEIL同步輻射中心的Maria C. Asensio研究組。

原文鏈接：http://www.tsinghua.edu.cn/publish/phy/10552/2017/20170307081035488161157/20170307081035488161157_.html

文獻鏈接：Stacking-Dependent Electronic Structure of Trilayer Graphene Resolved by Nanospot Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy。

本文由材料人編輯部王冰編輯，點我加入材料人編輯部。

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