扭曲双层石墨烯（TBG）是一种典型的层状材料，其性能与层间耦合密切相关。研究了具有不同取向的两个堆叠石墨烯层，以产生独特的光学和电子现象。因此，快速、可靠、无损的扭转角识别技术至关重要。在这里，研究了集成了白光反射光谱（WLRS）、拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM），提出了一种简单的RGB光学成像技术，该技术可以高效直观地识别大面积TBG的扭曲角。RGB技术在标准光学图像的RGB颜色通道中的层间旋转角和对比度差之间建立了稳健的相关性。角度分辨的光学行为归因于吸收共振与TBG的态密度中的van Hove奇点的分离相匹配。因此，本次的研究开发了一种通过直接的光学方法识别堆叠双层石墨烯旋转角的方法，该方法可进一步应用于其他堆叠范德华层状材料。

 
图1. （a） 在SiO₂/Si衬底上转移的CVD生长的多层石墨烯的光学图像。（b–d）R、G和b通道对应于（a）中的光学图像。（d）中的插图显示了白色虚线的反射强度分布。（e，f）（a）中相同石墨烯畴的AFM形貌图像（e）和相位图像（f）。（g） （d）中标记的色斑的拉曼光谱。

 
图2. （a） 另一个双层石墨烯结构域的光学图像。（b） 拉曼光谱对应于（a）中标记的彩色点。（c，d）（a）中相同区域的G峰值强度（b）和2D峰值（c）的FWHM的拉曼图。（e–g）（a）中光学图像的R、g和B通道图像。（h） 从拉曼光谱和图谱中推断出用红色、蓝色和紫色方框标记的不同扭曲区域。（i） WLRS对应于三个扭曲区域。（j） 从反射光谱中获得三个扭曲区域的吸收光谱。分别在R（560–800 nm）、G（450–600 nm）和B（350–540 nm）通道中进行的（k–m）WLRS映射。

 
图3. （a） 旋转堆叠的双层石墨烯的示意图，其中一层位于另一层的顶部。顶层和底层以一般角度θ相互旋转。（b） 堆叠的石墨烯层的第一布里渊区如（a）所示。（c） TBG的能带结构图和耦合Dirac锥的示意图。两个K点中间的杂交平坦带之间的光学跃迁由绿色箭头指示。（d） 扭曲角θ相关的Eab曲线如黑色实线所示。扭曲角θ根据其在RGB通道中的能量分散光学行为可分为五种类型。（e） 具体的五种类型的扭曲角是根据它们对应的最大吸收能量Eab和RGB通道的波长范围来识别的。

 
图4. 通过RGB技术来区分具有不同旋转角度的TBG样本。TBG的RGB通道中的对比度差异由白色虚线框标记。还显示了每个样品的标记TBG区域和SLG区域的拉曼光谱以供参考。（a） I型（7.9–11.1°），对比度差异仅出现在R通道中。（b） II型（11.1–12.1°），对比度差异出现在R和G通道中。（c） III型（12.1–12.7°），对比度差异仅出现在G通道中。（d） IV型（12.7–16.1°），对比度差异出现在G和B通道中。（e） 类型V（16.1–23.3°），对比度差异仅出现在B通道中。

 
图5. （a–c）在SiO₂/Si衬底上转移的多层石墨烯的光学图像和相应的R、G和B通道。比例尺均为20μm。（d） 将相同TBG的扫描电子显微镜（SEM）图像转移到TEM网格上。通过精确定位，具有由第（a–c）部分中的白框标记的五种扭转角的TBG区域由网格上的彩色框标记。（e–i）（d）中标记的彩色框上的SAED图案。（j） 典型Bernal堆叠双层石墨烯的SAED图案。

 
图6. （a–d）通过RGB技术在大面积TBG样本上的扭曲角分布。（e） 用于扭转角测量的不同方法的比较，根据其可检测尺寸、角度分辨率、成本效益、操作便利性、设备可及性和样品制备的方便性进行分级。
 
       相关研究成果由中国人民大学Zhihai Cheng和Shanshan Chen等人2024年发表在ACS Applied Materials & Interfaces (链接: https://doi.org/10.1021/acsami.3c15839)上。原文：Angle-Resolved Optical Imaging of Interlayer Rotations in Twisted Bilayer Graphene

转自《石墨烯研究》公众号