从一维原子链到二维晶体材料 科学报告

1、从一维原子链到二维晶体材料王华妹目前，石墨烯材料的研究与应用十分热门，已经有公司推出 了单层石墨烯作为手机屏幕的产品。而来自中国科学院半导体研 究所的谭平恒研究员与他的团队一直从事碳纳米材料以及半导 体低维材料的光学和电学性质研究，取得了丰厚的成果。这次讲 座上，他深入浅出地为我们简略介绍了他们的研究过程与成绩， 让我们对于相关领域内容有了具体的了解，也对于如何进展科研 实验有了自己的思考和体会。他介绍，正处于热门研究的二维超薄晶体材料有BN （类似金 刚石）、半导体、超导体等，但二维材料的范围并不局限于单层 材料。二维材料可单层，亦可多层，但要求对于多层材料分子层 间作用力需为范德华力，层内

2、为共价键作用力。大多数情况下， 单层材料与多层比，性质会有很大改变，实验发现的参数变化举 例如下：1、即使层间范德华力很弱，也能够改变晶体材料的电子能带结 构，如对于石墨烯。2、单层材料为直接半导体的，多层时变成间接半导体。3、改变拉曼光谱散射结果。我们常说的石墨烯（定义为十层以内的石墨材料），拥有单 原子二维晶体线性层带结构，故常温下有量子效应，且置于硅片 衬底上裸眼可观测。在对谭所在的半导体超晶格国家重点实验室重点研究的碳纳 米材料的色散性拉曼振动模、单层和多层石墨烯的晶格振动光谱 等内容进行了相对详细的介绍后，谭博士还讲述了他们的团队如 何首先观察到多层石墨烯的层间耦合振动模，探测了多层

3、石墨烯 异质结的界面耦合强度，并将研究推广到其它二维异质结。固体晶体具有一定振动模态。层间耦合作用即指二维晶体材料 的层间振动模态，分为剪切模（具备拉曼活性-即可用拉曼手段 检测）和呼吸模（红外活性）。由于同一层原子振动方向相同， 近似的可将一层原子可看作一个原子，运用此前关于一维双原子 链数学模型的结论可知，其振动模式由两个原子间的振动决定， 这样就大大简化了计算量，使层间力常数可求，而实验测得结果 也证明，此假设模型与实际数据拟合的很好。将此模型用于石墨 烯，则N层石墨烯。看作N层原子，可解其振动。但需注意的 是，层间耦合与层数无关，即层间振动力常数不随层数改变，尽 管波数是改变的。并且，

4、谭博士的团队在技术改进上也有着新的突破，开发了基 于单光栅光谱仪的超低波数拉曼光谱测试技术（激光用于测量， 原本光栅越多，信号越弱）足以探测到极其小的振动波数，相关 科研成果被称为低波数拉曼测试的世界纪录，不仅对其之后的深 入研究起到了十分重要的发现作用，也被仪器厂商产品宣传资料 多次采用。该实验室还有一项十分重要的研究发现，就是多层转角石墨烯 的共振拉曼散射现象。我们熟悉的多层石墨烯的堆垛方式有AA、 ABC、AB （占自然界80%），而新发现的一种结构：转角石墨 烯（如t（3+2）LG）具有碳原子排布疏松与紧密相间的特点，大大 扩展石墨烯种类。不仅如此，实验团队还在拉曼手段下发现其振 动的

5、奇特现象：转角1+3层石墨烯层间剪切模态只相当于3层石 墨烯的振动！对此做出的解释是：旋转后层间相互剪切振动减弱， 看到的是子系统的振动模；但呼吸模振动仍为4层的特点，与体 材料一致，应是电子能带变化的结果。这样的结论是由拉曼散射 结果和不同层数的振动模型的计算结果进行数据比较得到的，这 也是实验的常用方法，即发现现象-理论试解释-建立假说-实验符 合-假说成立的科研过程。对于呼吸模的线性链模型，实验组发现在特定条件下，存在次 近邻耦合作用，这显示了实验中捕捉更多信息的重要性，一点点 不寻常的细节都有可能开启一个新的研究方向，发现可探索的内 容。最后，谭博士总结道：拉曼光谱称得上是研究石墨烯及相关