扭曲雙層石墨烯（TBG）是一種典型的層狀材料，其性能與層間耦合密切相關。研究了具有不同取向的兩個堆疊石墨烯層，以產生獨特的光學和電子現象。因此，快速、可靠、無損的扭轉角識別技術至關重要。在這里，研究了集成了白光反射光譜（WLRS）、拉曼光譜和透射電子顯微鏡（TEM），提出了一種簡單的RGB光學成像技術，該技術可以高效直觀地識別大面積TBG的扭曲角。RGB技術在標準光學圖像的RGB顏色通道中的層間旋轉角和對比度差之間建立了穩健的相關性。角度分辨的光學行為歸因于吸收共振與TBG的態密度中的van Hove奇點的分離相匹配。因此，本次的研究開發了一種通過直接的光學方法識別堆疊雙層石墨烯旋轉角的方法，該方法可進一步應用于其他堆疊范德華層狀材料。
圖1. （a） 在SiO
2/Si襯底上轉移的CVD生長的多層石墨烯的光學圖像。（b–d）R、G和b通道對應于（a）中的光學圖像。（d）中的插圖顯示了白色虛線的反射強度分布。（e，f）（a）中相同石墨烯疇的AFM形貌圖像（e）和相位圖像（f）。（g） （d）中標記的色斑的拉曼光譜。
圖2. （a） 另一個雙層石墨烯結構域的光學圖像。（b） 拉曼光譜對應于（a）中標記的彩色點。（c，d）（a）中相同區域的G峰值強度（b）和2D峰值（c）的FWHM的拉曼圖。（e–g）（a）中光學圖像的R、g和B通道圖像。（h） 從拉曼光譜和圖譜中推斷出用紅色、藍色和紫色方框標記的不同扭曲區域。（i） WLRS對應于三個扭曲區域。（j） 從反射光譜中獲得三個扭曲區域的吸收光譜。分別在R（560–800 nm）、G（450–600 nm）和B（350–540 nm）通道中進行的（k–m）WLRS映射。
圖3. （a） 旋轉堆疊的雙層石墨烯的示意圖，其中一層位于另一層的頂部。頂層和底層以一般角度θ相互旋轉。（b） 堆疊的石墨烯層的第一布里淵區如（a）所示。（c） TBG的能帶結構圖和耦合Dirac錐的示意圖。兩個K點中間的雜交平坦帶之間的光學躍遷由綠色箭頭指示。（d） 扭曲角θ相關的Eab曲線如黑色實線所示。扭曲角θ根據其在RGB通道中的能量分散光學行為可分為五種類型。（e） 具體的五種類型的扭曲角是根據它們對應的最大吸收能量Eab和RGB通道的波長范圍來識別的。
圖4. 通過RGB技術來區分具有不同旋轉角度的TBG樣本。TBG的RGB通道中的對比度差異由白色虛線框標記。還顯示了每個樣品的標記TBG區域和SLG區域的拉曼光譜以供參考。（a） I型（7.9–11.1°），對比度差異僅出現在R通道中。（b） II型（11.1–12.1°），對比度差異出現在R和G通道中。（c） III型（12.1–12.7°），對比度差異僅出現在G通道中。（d） IV型（12.7–16.1°），對比度差異出現在G和B通道中。（e） 類型V（16.1–23.3°），對比度差異僅出現在B通道中。
圖5. （a–c）在SiO
2/Si襯底上轉移的多層石墨烯的光學圖像和相應的R、G和B通道。比例尺均為20μm。（d） 將相同TBG的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像轉移到TEM網格上。通過精確定位，具有由第（a–c）部分中的白框標記的五種扭轉角的TBG區域由網格上的彩色框標記。（e–i）（d）中標記的彩色框上的SAED圖案。（j） 典型Bernal堆疊雙層石墨烯的SAED圖案。
圖6. （a–d）通過RGB技術在大面積TBG樣本上的扭曲角分布。（e） 用于扭轉角測量的不同方法的比較，根據其可檢測尺寸、角度分辨率、成本效益、操作便利性、設備可及性和樣品制備的方便性進行分級。
相關研究成果由中國人民大學Zhihai Cheng和Shanshan Chen等人2024年發表在ACS Applied Materials & Interfaces (鏈接: https://doi.org/10.1021/acsami.3c15839)上。原文：Angle-Resolved Optical Imaging of Interlayer Rotations in Twisted Bilayer Graphene
轉自《石墨烯研究》公眾號
