二维层状晶体层间耦合和面内各向异性的光学研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:linchenxu
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自从石墨烯被发现以来,二维材料的家族已经迅速地扩张。二维材料具有很多新奇的性质,比如石墨烯独特的光学和电学性质,过渡金属硫族化合物的谷偏振现象和增强的激子效应以及黑磷的各向异性等。二维材料的性质是因层数而异的。此外,不同的二维材料可以人工地堆叠起来,形成性质可以调控的二维异质结。层间耦合在多层的二维材料和二维异质结中起着重要的作用。二维材料还可以分成面内各向同性和面内各向异性两大类。面内各向异性材料与面内各向同性的材料相比多出了一个维度来调节它们的性质。因此面内各向异性的材料有着更加新奇的性质和更多的应用领域。  光学手段,包括拉曼光谱、光致发光光谱和光学吸收谱等,是探测二维材料物性的重要手段。拉曼光谱也是一种研究材料性质的基础方法,它可以提供材料的晶格振动、电子结构、电子-声子耦合、自旋-轨道耦合等方面的信息。由于二维晶体材料独特的晶格结构,其晶格振动也具有独特的性质。通过拉曼光谱技术可以直接地研究这些材料的晶格振动信息,并且能通过这些振动模式来表征材料和研究其基本性质。而光致发光光谱和光学吸收谱是研究二维半导体材料的基本手段,它可以提供材料的能带结构的信息。此外,二维材料这些性质能够通过第一性原理等理论手段进行预测,结合实验和理论,可以深入研究其物理性质。本论文主要通过拉曼光谱、光学吸收谱等技术研究了转角多层石墨烯等材料中的层间耦合,并通过理论计算解释其中的拉曼共振现象。此外,也通过拉曼光谱、光致发光光谱和光学吸收谱等手段探测了ReSe2以及MoS2纳米线的面内各向异性。本文主要的研究内容和获得的结果如下:  一、将第一性原理和紧束缚方法结合起来,研究了转角多层石墨烯的电子能带结构和光学吸收性质,探求了这种特殊电子能带结构对拉曼信号强度的影响,并进行了实验验证。转角双层石墨烯具有和单层石墨烯一样的线性能带结构,但是其费米速度(v f)具有严格的旋转角度(θt)依赖关系,当θt或者60-θt越接近30°时,其费米速度越大越接近单层的费米速度,当θt或者60-θt越远离30°时其费米速度越小越接近0。转角双层石墨烯会在态密度上引入一对范霍夫奇点,范霍夫奇点的能量和θt有着严格的依赖关系。在转角多层石墨烯中会比AB堆垛的多层石墨烯多出一个光学吸收峰,这个吸收峰的位置可以通过计算光学跃迁允许的联合态密度(JDOSoAT)中的奇点来获得。奇特的光学性质会使得转角多层石墨烯的拉曼模式得到共振增强,这类增强的本质是入射光或者散射光和JDOSOAT上奇点共振。我们的研究工作将有助于对转角多层石墨烯基本性质的探索和基于转角多层石墨烯器件的应用。  二、将层数为n的AB堆垛的石墨烯(nLG,n≥1)和层数为m的AB堆垛的石墨烯(mLG,m≥1)以一定的角度θt堆垛到一起,形成m+n层的转角多层石墨烯(t(m+n)LG),通过选择与旋转角度相对应的激发光,系统地探测了t(m+n)LG的层间剪切模(C模)和和层间呼吸模(LBM)。在t(m+n)LG中,由于能带结构的改变和对称性的降低,导致在共振的条件下所有的C模和大部分的LBM都能被观察到。在t(m+n)LG中探测到了来自nLG和mLG的C模和来自(m+n)LG的LBM。在这类系统中,C模是局域在AB堆垛的子系统中,而LBM是全局化的。这是因为在转角界面处的剪切耦合强度减少为AB堆垛界面的20%,而其呼吸耦合强度和AB堆垛界面的相同。此外,发现存在着次近邻原子层的呼吸耦合,其强度为最近邻原子层耦合的9%。在旋转界面剪切相互作用的解耦是来着于旋转导致的原子周期性的不匹配。我们的研究工作将有助于理解二维同质结和异质结中的界面耦合,为表征调控它们的性质奠定基础。  三、利用拉曼光谱和光学吸收谱研究了卷曲石墨烯(NLGS,N为层数)和化学气象沉积(CVD)生长石墨烯的层间耦合。卷曲石墨烯和转角石墨烯有着类似的结构,在NLGS中的C模和AB-NLG(AB堆垛的多层石墨)的C模的频率一致。卷曲石墨烯中转角的取向是多样的随机的,导致了C模在任意的入射光波长下都会共振增强。在CVD生长的多层石墨烯中,G模强度的空间分布可以用来鉴定其中的单晶区域。通过光学吸收谱和R和R模可以鉴定多层石墨烯的堆垛取向。通过C模和LBM可以鉴定多层石墨烯的堆垛信息(堆垛取向和层数)和层间耦合。我们的研究为转角多层石墨烯类似物的拉曼表征开辟了一个新的方向。  四、利用拉曼光谱和光致发光谱研究了ReSe2的层间耦合和面内各向异性。多层的ReSe2具有一定的面内各向异性。多层的ReSe2中存在着层间耦合,但其层间耦合弱于MoS2等材料。利用拉曼光谱和光学吸收谱研究了MoS2纳米带的面内各向异性。MoS2纳米带具有一定的面内各向异性。在MoS2纳米带中有两种拉曼模式:本征的模式和缺陷激活的模式,可以通过这些模式来鉴定其宽度。电子-声子相互作用对MoS2纳米带拉曼模式的各向异性没有贡献,只有光吸收和光发射对MoS2纳米带拉曼模式的各向异性有贡献。我们的研究有助于进一步理解各向异性二维材料的物理性质。
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