【專訪】劉忠範院士：旋轉雙層石墨烯未來将在光通訊領域大放異彩

原創 2016-03-30 新材料在線 新材料在線

                                      ——新材料在線就“旋轉雙層石墨烯”專訪劉忠範院士

beat365官方网站劉忠範-彭海琳課題組研究人員成功在銅箔襯底上制備了不同旋轉角度的雙層石墨烯，并與英國牛津大學陳宇林課題組合作，首次使用高空間分辨率的角分辨光電子能譜(Micro-ARPES)，直接解析了銅箔襯底上旋轉雙層石墨烯的能帶結構，确認範霍夫奇點的存在，進而得到微帶隙位置與旋轉角度的依賴關系。該研究工作表明，石墨烯家族的新成員——旋轉雙層石墨烯可為超快高敏高選擇性光電探測應用開發提供新的機遇。

為了進一步深入了解這一技術突破，新材料在線特地連線劉忠範院士，就旋轉雙層石墨烯的基本原理、技術關鍵點和所面臨的問題等進行了探讨，以下是采訪實錄（部分地方有所增減）。

劉忠範院士簡介

 

劉忠範，物理化學家，中科院院士，beat365教授。主要從事納米碳材料、二維原子晶體材料和納米化學研究，發表學術論文420餘篇，獲授權中國發明專利26項。曾任國家攀登計劃（B）、973計劃和納米重大研究計劃項目首席科學家、國家自然科學基金“表界面納米工程學”創新研究群體學術帶頭人（三期）。1997年獲香港求是科技基金會傑出青年學者獎，2007年獲高等學校科學技術獎自然科學一等獎，2008年獲國家自然科學二等獎，2012年獲中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎和寶鋼優秀教師特等獎等。

 

【新材料在線】：石墨烯若應用在半導體器件，需要存在帶隙結構。旋轉雙層石墨烯可以解決單層石墨烯沒有帶隙的瓶頸。請問這項技術的先進性體現在哪些方面？您能否向我們簡要介紹這一技術？

【劉忠範院士】：實際上，旋轉雙層石墨烯并沒有嚴格意義上的帶隙（bandgap），它還保持單層石墨烯獨特的狄拉克錐能帶結構，具有很高的載流子遷移率，這也是它可以應用在超快光電探測領域的一個基礎。不同于單層石墨烯和AB堆垛雙層石墨烯，旋轉雙層石墨烯的兩個狄拉克錐能帶相互作用，在交疊區域形成一個鞍點，也就是說在能量動量空間上，沿着一個切面看，産生了微能隙(minigap)，但它不等同于半導體領域中常說的帶隙（bandgap），因為在另一個切面上看，minigap其實是兩條曲線，能帶還是連續的。

這項技術可望解決單層石墨烯光電探測器的低靈敏度問題。單層石墨烯光電探測器的優勢是超快響應，基于石墨烯的光電探測器的工作頻率可達40 GHz，理論帶寬可達500 GHz，但它的劣勢是低靈敏度。我們使用旋轉雙層石墨烯可以有效地提升其靈敏度，這是因為旋轉雙層石墨烯能帶上的特殊結構對應了态密度上的範霍夫奇點，奇點導緻了旋轉雙層石墨烯與入射光的相互作用被大大增強，我們将這種增強的光電相互作用應用至石墨烯光電探測，有效提高了光電響應靈敏度指标，同時還保持了超快響應的特性。

 【新材料在線】：旋轉雙層石墨烯可以通過調整旋轉角度來調整能帶結構，那麼實現該技術的關鍵點有哪些？又是如何解決的呢？

【劉忠範院士】：實現這個技術的關鍵點，或者說難點有三個，一是旋轉雙層石墨烯的生長，二是能帶的解析，三是光電器件的制備和表征。

 首先，我們成功在銅箔上制備了不同旋轉角度的雙層石墨烯單晶，目前能直接生長出這種樣品的小組還比較少。生長的成功源于我們納米化學研究中心在石墨烯化學氣相沉積方面的多年積累，從2009年開始，我們發展了一系列獨特的生長制備方法不同的石墨烯樣品，如：厘米級單晶石墨烯、摻雜石墨烯、AB堆垛雙層石墨烯等。這篇工作的并列一作王歡博士在5年的博士期間一直從事銅箔上石墨烯生長的研究，對石墨烯生長有很深的理解，在此基礎上成功合成了不同旋轉角度的旋轉雙層石墨烯，為其後續的性質研究奠定了材料基礎。

另一個關鍵點是能帶的解析，在這點上我們與牛津大學的陳宇林教授合作，他的博士生彭晗也是文章的并列一作。解析微米級樣品的能帶結構，需要具有高空間分辨的角分辨光電子能譜，而這也是陳宇林老師最近發展的尖端技術。利用這項技術，在意大利同步輻射光源上，他們晝夜奮戰才測出漂亮的旋轉雙層石墨烯能譜數據，并且通過大量的實驗，得出了範霍夫奇點與旋轉角的關系，與理論上預測和STM研究結果一緻，這是我們首次直接在銅箔襯底上觀測到旋轉雙層石墨烯範霍夫奇點的存在。

第三個關鍵點是光電器件的制備及測量，在微納器件制備和光電特性研究方面上，我們團隊中彭海琳老師領導的研究小組已有十來年的經驗積累，尹建波博士為了開展這個課題，利用近1年時間搭建了專業的光電流掃描及分析的顯微鏡，正是有這樣的積累和經驗，才能順利推動這一課題的開展。

【新材料在線】：一旦這項技術走出實驗室應用到實際生産中，将會對科技發展和我們的生活産生怎樣的影響？

【劉忠範院士】：這項技術真正走向實際生産，還需要解決很多問題，包括材料問題，器件設計等。但如果石墨烯在高速光電探測領域的潛力能夠得到充分挖掘并應用，将有可能提升光電探測的速度和帶寬，在光通訊領域将會有重要影響。

 

【新材料在線】：您認為石墨烯大規模地應用于半導體領域還要多久？在這個過程中有哪些關鍵性問題需要解決？

 【劉忠範院士】：盡管未來幾年可能會有一些石墨烯的相關産品進入大衆的視野，但距離大規模應用還有一段路要走。産業化是一個複雜的問題，牽扯到很多層面，最為核心的是産品的質量與成本。在質量上，目前石墨烯的制備還處于比較粗放的階段，對于大面積石墨烯薄膜的應用來說，生長出來容易，生長出來高遷移率、高質量的石墨烯比較難，而對于石墨烯粉體材料來說，石墨烯片的尺寸、結晶性仍有待提高。另一個問題是石墨烯的轉移，轉移過程中的破損和污染等因素，都制約了其應用。我們針對以上的問題還在開展研究，一個案例是将石墨烯直接生長在絕緣基底上，比如石墨烯玻璃，就很好的避免了轉移過程的破損和污染。在成本上，目前石墨烯生長的成本還比較高，所以發展低成本的材料生長工藝也是當務之急。

【新材料在線】：石墨烯的性能很優越，但隻有真正應用在實際中、實現産業化才能帶來變革。對于加快推進石墨烯産業化步伐，您有哪些好的建議？

 【劉忠範院士】：首先需要中央和地方政府對于石墨烯的研究和産業化給予更多的引導和扶持，要從頂層做出設計，對石墨烯産業統籌規劃，優化産業布局，避免産能過剩，增加科技含量，使石墨烯産業成為技術密集型産業。其次，國内的科研院所要将“做出原創性工作”定為研究目标，要注重發展擁有自主知識産權的産品和技術，不能急功近利。

還有很重要的一點，目前石墨烯的産品還是以概念性為主，石墨烯走向産業應用還缺少殺手锏級的應用，石墨烯走向産業化不應該是體現在“替代”某種材料。人們對石墨烯的關注點應放在其不可替代性上，即離開石墨烯不可的殺手锏級的用途，這種用途目前為止還沒有找到，但是我們正在朝這個方向努力。