佛罗里达州立大学物理系和总部位于佛罗里达州立大学的国家高磁场实验室的研究人员在《纳米快报》（Nano Letters）上发表了一项研究，探讨了分层和扭曲等石墨烯物理操作如何影响其光学特性和导电性。
石墨烯以其超过铜的导电性、强度和轻质而闻名，因此适合导电纳米材料的各种应用。石墨烯是一种天然碳元素，由单层碳原子组成，呈六角形重复晶格排列。
由助理教授倪光欣和 Cyprian Lewandowski 以及研究生助理研究员 Ty Wilson 领导的研究小组发现，层间扭曲引起的微小几何结构变化对扭曲双层石墨烯的导电性影响更大，而不是物理或化学操作。这一发现为进一步研究较低温度和频率对石墨烯特性的影响奠定了基础。
这一特定的研究路径最初是为了解释扭曲双层石墨烯的一些光学特性，因为这种材料以前曾用扫描近场光学显微镜成像过，但没有比较过不同的扭曲角度。我们希望从这个角度来研究这种材料。
佛罗里达州立大学研究生研究助理 Ty Wilson
为了进行这项研究，研究小组捕捉了等离子体的图像–当材料中的电子同步运动时产生的微小能量波，并观察了它们在扭曲的双层石墨烯不同区域的存在情况。
威尔逊补充说：”扫描近场光学显微镜基本上是将一定波长的红外光照射到样品上，然后将散射光收集回来，形成远远低于衍射极限的纳米级图像。这里的关键在于，它涉及到一种针，这种针能大大增强光-物质耦合，使我们能够利用纳米光看到这些质子。
为了区分扭曲双层石墨烯的不同区域，研究小组检查了生成图像中识别出的晶界–晶体结构中的缺陷。他们注意到，在这些含有等离子体的区域中，相对于位于其下方的透明层状晶体六方氮化硼层，两片碳原子以不同的角度扭曲。
物理学家将一组直线或曲线叠加到另一组直线或曲线上时形成的几何图案描述为 “摩尔纹”，摩尔纹源于法语中的 “watered”一词。当双层石墨烯和氮化硼被扭曲时，它们形成了一种被称为 “双摩尔纹 “的结构–两层图案–也被称为 “超晶格”。
威尔逊说：”我们的计划是比较每个畴获得的反射近场信号，而之前对石墨烯的研究大多只关注单一扭转角，从未关注过这些’摩尔纹的摩尔纹’系统。
研究小组发现，即使对石墨烯进行电掺杂并将其置于不同的红外光频率下，带氮化硼的扭曲双层石墨烯的光导率在扭曲角度小于两度时也相对保持不变。
威尔逊补充说：这告诉我们，这种超漩涡材料的光电特性与化学掺杂或扭曲双层石墨烯的扭曲角度无关，而是更多地取决于超漩涡结构本身，以及它如何影响材料中的电子带，从而实现增强的光导率。
Lewandowski 说，这一结果令人兴奋，因为它显示了如何利用多层摩尔纹系统来制造具有 “按需 “光学特性的材料。
“倪教授研究小组使用的测量技术使我们能够探测二维系统的局部光学响应，补充了常用于二维材料的其他局部测量技术。有趣的是，结合相应的理论建模，所报告的测量结果论证了二维系统如何在宽光频范围内被动地实现几乎一致的光学响应，而无需主动的电子反馈，”Wilson 进一步补充道。
该研究小组的发现说明了几何弛豫在双漩涡晶格中的重要作用，从而提高了研究人员对石墨烯等纳米材料如何应对不同操作的理解。
这些知识可用于帮助开发特定的光学特性，如增强材料的导电性。这种进步有助于摩尔纹光电子学的实际应用，包括热成像技术和计算机处理器中的光学开关。
这为我们继续探索各种纳米光学和电子现象铺平了道路，而这些现象是其他衍射限制远场光学技术所无法实现的。
Guangxin Ni，佛罗里达州立大学助理教授
佛罗里达州立大学的这项研究得到了美国国家科学基金会材料研究部和美国能源部基础能源科学计划的资助。这项研究还得到了中国武汉大学、中国科学院和上海微系统与信息技术研究所的捐助。
期刊参考：
Cui, S. et. al. (2024) Nanoscale Optical Conductivity Imaging of Double-Moiré Twisted Bilayer Graphene. Nano Letters. doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02841
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