扭曲雙層石墨烯（TBG）是一種典型的層狀材料，其性能與層間耦合密切相關(guān)。研究了具有不同取向的兩個(gè)堆疊石墨烯層，以產(chǎn)生獨(dú)特的光學(xué)和電子現(xiàn)象。因此，快速、可靠、無(wú)損的扭轉(zhuǎn)角識(shí)別技術(shù)至關(guān)重要。在這里，研究了集成了白光反射光譜（WLRS）、拉曼光譜和透射電子顯微鏡（TEM），提出了一種簡(jiǎn)單的RGB光學(xué)成像技術(shù)，該技術(shù)可以高效直觀地識(shí)別大面積TBG的扭曲角。RGB技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)圖像的RGB顏色通道中的層間旋轉(zhuǎn)角和對(duì)比度差之間建立了穩(wěn)健的相關(guān)性。角度分辨的光學(xué)行為歸因于吸收共振與TBG的態(tài)密度中的van Hove奇點(diǎn)的分離相匹配。因此，本次的研究開(kāi)發(fā)了一種通過(guò)直接的光學(xué)方法識(shí)別堆疊雙層石墨烯旋轉(zhuǎn)角的方法，該方法可進(jìn)一步應(yīng)用于其他堆疊范德華層狀材料。
圖1. （a） 在SiO
2/Si襯底上轉(zhuǎn)移的CVD生長(zhǎng)的多層石墨烯的光學(xué)圖像。（b–d）R、G和b通道對(duì)應(yīng)于（a）中的光學(xué)圖像。（d）中的插圖顯示了白色虛線的反射強(qiáng)度分布。（e，f）（a）中相同石墨烯疇的AFM形貌圖像（e）和相位圖像（f）。（g） （d）中標(biāo)記的色斑的拉曼光譜。
圖2. （a） 另一個(gè)雙層石墨烯結(jié)構(gòu)域的光學(xué)圖像。（b） 拉曼光譜對(duì)應(yīng)于（a）中標(biāo)記的彩色點(diǎn)。（c，d）（a）中相同區(qū)域的G峰值強(qiáng)度（b）和2D峰值（c）的FWHM的拉曼圖。（e–g）（a）中光學(xué)圖像的R、g和B通道圖像。（h） 從拉曼光譜和圖譜中推斷出用紅色、藍(lán)色和紫色方框標(biāo)記的不同扭曲區(qū)域。（i） WLRS對(duì)應(yīng)于三個(gè)扭曲區(qū)域。（j） 從反射光譜中獲得三個(gè)扭曲區(qū)域的吸收光譜。分別在R（560–800 nm）、G（450–600 nm）和B（350–540 nm）通道中進(jìn)行的（k–m）WLRS映射。
圖3. （a） 旋轉(zhuǎn)堆疊的雙層石墨烯的示意圖，其中一層位于另一層的頂部。頂層和底層以一般角度θ相互旋轉(zhuǎn)。（b） 堆疊的石墨烯層的第一布里淵區(qū)如（a）所示。（c） TBG的能帶結(jié)構(gòu)圖和耦合Dirac錐的示意圖。兩個(gè)K點(diǎn)中間的雜交平坦帶之間的光學(xué)躍遷由綠色箭頭指示。（d） 扭曲角θ相關(guān)的Eab曲線如黑色實(shí)線所示。扭曲角θ根據(jù)其在RGB通道中的能量分散光學(xué)行為可分為五種類型。（e） 具體的五種類型的扭曲角是根據(jù)它們對(duì)應(yīng)的最大吸收能量Eab和RGB通道的波長(zhǎng)范圍來(lái)識(shí)別的。
圖4. 通過(guò)RGB技術(shù)來(lái)區(qū)分具有不同旋轉(zhuǎn)角度的TBG樣本。TBG的RGB通道中的對(duì)比度差異由白色虛線框標(biāo)記。還顯示了每個(gè)樣品的標(biāo)記TBG區(qū)域和SLG區(qū)域的拉曼光譜以供參考。（a） I型（7.9–11.1°），對(duì)比度差異僅出現(xiàn)在R通道中。（b） II型（11.1–12.1°），對(duì)比度差異出現(xiàn)在R和G通道中。（c） III型（12.1–12.7°），對(duì)比度差異僅出現(xiàn)在G通道中。（d） IV型（12.7–16.1°），對(duì)比度差異出現(xiàn)在G和B通道中。（e） 類型V（16.1–23.3°），對(duì)比度差異僅出現(xiàn)在B通道中。
圖5. （a–c）在SiO
2/Si襯底上轉(zhuǎn)移的多層石墨烯的光學(xué)圖像和相應(yīng)的R、G和B通道。比例尺均為20μm。（d） 將相同TBG的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像轉(zhuǎn)移到TEM網(wǎng)格上。通過(guò)精確定位，具有由第（a–c）部分中的白框標(biāo)記的五種扭轉(zhuǎn)角的TBG區(qū)域由網(wǎng)格上的彩色框標(biāo)記。（e–i）（d）中標(biāo)記的彩色框上的SAED圖案。（j） 典型Bernal堆疊雙層石墨烯的SAED圖案。
圖6. （a–d）通過(guò)RGB技術(shù)在大面積TBG樣本上的扭曲角分布。（e） 用于扭轉(zhuǎn)角測(cè)量的不同方法的比較，根據(jù)其可檢測(cè)尺寸、角度分辨率、成本效益、操作便利性、設(shè)備可及性和樣品制備的方便性進(jìn)行分級(jí)。
相關(guān)研究成果由中國(guó)人民大學(xué)Zhihai Cheng和Shanshan Chen等人2024年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsami.3c15839)上。原文：Angle-Resolved Optical Imaging of Interlayer Rotations in Twisted Bilayer Graphene
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
