北京師范大學(xué)物理學(xué)系何林老師的研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于通過晶格對(duì)稱性破缺來調(diào)控石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。近幾年，他們?cè)趦煞N典型的具有晶格對(duì)稱性破缺結(jié)構(gòu)（即石墨烯應(yīng)變結(jié)構(gòu)和雙層有轉(zhuǎn)角石墨烯體系）的研究中取得了一系列重要的創(chuàng)新成果，在相關(guān)體系中實(shí)現(xiàn)了一系列新奇量子態(tài)的探測(cè)與調(diào)控。
最近，何林老師指導(dǎo)博士生白珂珂等人與北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院的劉忠范/彭海琳教授指導(dǎo)的博士生周喻合作，在應(yīng)變石墨烯的結(jié)構(gòu)及其電學(xué)性質(zhì)研究上又取得了重要進(jìn)展。他們利用本課題組的掃描隧道顯微鏡（STM）對(duì)生長(zhǎng)在Cu箔上的馬賽克石墨烯（局域氮參雜石墨烯）進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該樣品上能實(shí)現(xiàn)周期為幾個(gè)納米到幾十納米的準(zhǔn)一維周期性褶皺（如圖1），這些準(zhǔn)一維褶皺的長(zhǎng)度大約在400納米到一微米之間。根據(jù)經(jīng)典薄膜理論，在石墨烯中實(shí)現(xiàn)周期為納米量級(jí)的褶皺，需要將石墨烯的尺寸縮小到10個(gè)納米以下。而在如此小尺寸的石墨烯上要施加一個(gè)應(yīng)力使其產(chǎn)生周期的應(yīng)變結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)前技術(shù)的極限，這一傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)一直制約著人們對(duì)石墨烯應(yīng)變結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步深入研究。
何林指出他們?cè)谑┲袑?shí)現(xiàn)的納米尺度的準(zhǔn)一維周期性褶皺超出了經(jīng)典薄膜理論的描述。在經(jīng)典薄膜理論中，具有一定厚度的薄膜在彎曲時(shí)存在一個(gè)中性面，中性面上的原子間距在薄膜彎曲時(shí)既不會(huì)被拉伸又不會(huì)被壓縮，而中性面以外的原子在薄膜彎曲時(shí)原子間距不是被拉伸就是被壓縮，從而產(chǎn)生一個(gè)彎曲，能阻礙薄膜的進(jìn)一步彎曲。但是石墨烯是一種非常特殊的薄膜體系：它只有一層原子厚。這一特性導(dǎo)致石墨烯彎曲時(shí)幾乎沒有阻力（只需要考慮最近鄰碳原子p軌道雜化對(duì)體系能量的細(xì)微影響），因此該體系中納米尺度的褶皺不再符合經(jīng)典薄膜理論的描述，所以在實(shí)驗(yàn)上能實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)僅為幾個(gè)納米但長(zhǎng)度達(dá)到400納米到一微米之間的準(zhǔn)一維周期性褶皺（如圖1）。另外，該課題組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明周期性的褶皺會(huì)在石墨烯中引入一個(gè)周期性的電勢(shì)，在其能帶結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生超晶格Dirac點(diǎn)，并可以在石墨烯中打開一個(gè)130 meV的帶隙。
北師大物理學(xué)系何林課題組在石墨烯研究方面取得重要進(jìn)展
這一工作中報(bào)道的納米尺度的準(zhǔn)一維周期性褶皺為石墨烯應(yīng)變結(jié)構(gòu)的研究提供了前所未有的平臺(tái)，將極大地推動(dòng)石墨烯應(yīng)變工程（strain engineering）實(shí)驗(yàn)上的發(fā)展。上述研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部973項(xiàng)目/重大研究計(jì)劃、教育部新世紀(jì)人才等項(xiàng)目的支持，物理學(xué)系的聶家財(cái)教授對(duì)該工作的完成也提供了重要的幫助。
