普渡大学Gary J. Cheng和华中科技大学叶镭 Nano Letters: 激光压印调谐石墨烯 – 氮化硼莫尔超晶格动态层间耦合

【引言】

由于二维材料具有无悬挂键和较强的杨氏模量的特性，在原子垂直尺度上堆叠各种二维材料可以形成范德华异质结构，通过改变二维材料之间的层间耦合能够诱导异质结的光学和电学性质发生变化。然而，当前对二维材料的层间耦合缺乏准确的理解，使得范德华异质结构的预期性能的调控成为一个具有挑战性的障碍。到目前为止，为了引入强层间耦合，施加压力是一种可行方式。但是，如果压力施加缓慢且压力值不够，会导致被压的二维材料会弹回两者之前的距离，而高压冲击可以实现较高的压力值，却会给目标二维材料带来灾难性损坏。因此寻求一种合适的施压方式是十分必要的。

【成果简介】

2018年12月10日，普渡大学Gary J. Cheng和华中科技大学叶镭等人在Nano Letters在线发表了最新研究成果“Laser Shock Tuning Dynamic Interlayer Coupling in Graphene−Boron Nitride Moiré Superlattices”。该工作由普渡大学Gary J. Cheng和华中科技大学叶镭等人共同完成。Prashant Kumar, 童磊，刘劲和Maithilee Motlag为共同第一作者，Gary J. Cheng，叶镭和Joseph Irudayaraj为共同通讯。

【本文亮点】

激光压印方法是研究异质结构层间耦合的有效方式。施加超快的高压冲击能够调节异质结构的层间距离，这种层间距离的改变是永久性的，同时较短的激光冲击持续时间能够避免对材料带来灾难性的损伤并提高压力。在激光压印后，石墨烯/氮化硼/石墨烯(Gr / BN / Gr)异质结构拉曼光谱和吸收特性的改变，Gr / BN / Au展示的更优异的电子隧穿性能，以及量子点荧光寿命的变化都表明异质结构中更强的层间耦合。由此证明该方法可以很便捷地研究二维材料异质结构中层间距离和层间耦合之间的紧密关系，为未来对二维材料层间耦合调控的研究提供了一种强有力的手段。同时激光压印有望提高二维材料光学、电学器件的性能，甚至诱发新的优秀性质，因此具有重要的应用意义。

【图文导读】

图1. Gr / BN / Gr异质结构的器件示意图

a.激光冲击压印装置示意图。

b.瞬态激光压力变化；插图显示了Gr / BN / Gr异质层的层间距离减小的示意图。

c.晶格应变分布的第一原理计算。

d-g. Gr/BN/Au器件的顶部石墨烯表面在冲击之前（d和e）和之后（f和g）的光学显微镜图像

图2. Gr/BN/Gr异质结构在激光压印前后的示意图和拉曼测试

a-b. Gr/BN/Gr异质结构在激光压印前后的示意图。

c.BN、石墨烯、以及Gr/BN/Gr异质结构在激光压印前后的拉曼光谱。

 图3. Gr / BN / Au异质结构来研究电子隧穿行为

a.Gr / BN / Au隧穿异质层的示意图。

b.激光冲击前FN隧穿的示意图。

c.激光冲击后FN隧穿的示意图。

d.激光冲击前后Fowler-Nordheim曲线。

图4. 量子点（QD）在不同光子态下的光子发射行为

a.在盖玻片上的单个QD的时程荧光发射表现出明显的“闪烁”，其在Gr / BN / Gr异质层上被抑制。

b-d. 在纯石墨烯（b）、和激光冲击之前（c）和之后（d）的Gr/BN/Gr异质层的单个QD的时程荧光发射。

 e-h. 在盖玻片（e），石墨烯（f）和激光冲击之前（g）和之后（h）的Gr/BN/Gr上的QD的荧光寿命成像显微镜（FLIM）图像。

i.单个量子点在不同衬底上的时间相关单光子计数（TCSPC）衰减曲线。

j.各种量子点在不同底物上的荧光寿命的统计汇总。

【总结与展望】

这项工作利用激光压印的方式，不仅可以消除在二维材料异质结构的构造过程产生的气泡或者空隙，而且还可以诱导强层间耦合以改变它们的光学或电子特性，本文成功实现了Gr / BN / Gr异质结构的强层间耦合，并详细研究了其光学和电学性质。值得注意的是，这种新型的激光压印方法是一种强大的垂直结构调制方法，为深入理解基于各种二维异质结构的量子耦合增强开辟了一条新的途径。

文献链接：Laser Shock Tuning Dynamic Interlayer Coupling in Graphene–Boron Nitride Moiré Superlattices (Nano Letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03895)

本文由华中科技大学叶镭团队供稿，材料人编辑部编辑。

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