周树云研究组NanoARPES实验揭示三层石墨烯不同堆叠方式对能带结构的影响

 

石墨烯的许多奇异的性质来源于动量空间K点附近的线性色散关系(称为狄拉克锥)。在多层石墨烯中,不同的堆叠方式将影响层间的相互作用,从而极大地改变其能带结构。最近,周树云研究组利用紧聚焦的具有百纳米级空间分辨率的角分辨光电子能谱(NanoARPES),直接测量到三种具有不同堆叠方式(ABA、ABC和AAA)的三层石墨烯的不同能带结构,并且通过拟合得到能带的跃迁参数,为今后的理论和实验研究提供了重要的基础。研究成果以“Stacking-Dependent Electronic Structure of Trilayer Graphene Resolved by Nanospot Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy”为题发表在2月22日的Nano Letters期刊上。

 

图1:(a)利用NanoARPES测量到的费米能以下0.1到0.5eV强度积分的空间分布图。(b)-(d)分别对应图(a)中字母所示区域的实验和理论能带结构以及相应的石墨烯堆叠方式示意图。      

  

三层石墨烯除了自然界中最常见、最稳定的ABA(Bernel)堆叠方式以外,还有AAA和ABC两种堆叠方式。这些不同的堆叠方式导致这三种三层石墨烯在费米能附近具有不同的能带结构。由于具有后两种堆叠方式的石墨烯比较稀少而且尺寸远小于常规角分辨光电子能谱(ARPES)实验所用光斑的大小,因此常规ARPES实验难以将它们区分开来从而获得清楚的能带。利用波带片将光斑进一步紧聚焦到百纳米量级,NanoARPES实验可以获得常规ARPES所不能提供的高空间分辨率,并且得到样品各个不同区域的能带结构。周树云研究组利用NanoARPES实验,在外延石墨烯中观测到了微米级大小的不同方式堆叠的石墨烯畴,并且得到它们的独特能带结构,通过拟合实验结果还给出了不同堆叠方式的石墨烯的层内和层间的跃迁参数。ABC堆叠的石墨烯的最大特点是其在费米能处电子的色散很小,即所谓的“flat band”,导致了其费米能处的态密度大大增加,为超导提供了一种可能性;并且在外加垂直电场的情况下,费米能处的“flat band”会打开能隙并且能隙大小可由电场强度来调控,这些新奇的物理和应用前景使其备受关注。        

该研究得到国家自然科学基金委、国家科技部和清华大学自主研发项目经费的支持。清华大学物理系的周树云教授为该文的通讯作者,物理系博士生鲍昌华为文章的第一作者。合作者包括法国SOLEIL同步辐射中心的Maria C. Asensio研究组。

全文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b04698