【专访】刘忠范院士：旋转双层石墨烯未来将在光通讯领域大放异彩

原创 2016-03-30 新材料在线 新材料在线

                                      ——新材料在线就“旋转双层石墨烯”专访刘忠范院士

77779193永利集团刘忠范-彭海琳课题组研究人员成功在铜箔衬底上制备了不同旋转角度的双层石墨烯，并与英国牛津大学陈宇林课题组合作，首次使用高空间分辨率的角分辨光电子能谱(Micro-ARPES)，直接解析了铜箔衬底上旋转双层石墨烯的能带结构，确认范霍夫奇点的存在，进而得到微带隙位置与旋转角度的依赖关系。该研究工作表明，石墨烯家族的新成员——旋转双层石墨烯可为超快高敏高选择性光电探测应用开发提供新的机遇。

为了进一步深入了解这一技术突破，新材料在线特地连线刘忠范院士，就旋转双层石墨烯的基本原理、技术关键点和所面临的问题等进行了探讨，以下是采访实录（部分地方有所增减）。

刘忠范院士简介

 

刘忠范，物理化学家，中科院院士，永利集团教授。主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料和纳米化学研究，发表学术论文420余篇，获授权中国发明专利26项。曾任国家攀登计划（B）、973计划和纳米重大研究计划项目首席科学家、国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人（三期）。1997年获香港求是科技基金会杰出青年学者奖，2007年获高等学校科学技术奖自然科学一等奖，2008年获国家自然科学二等奖，2012年获中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖和宝钢优秀教师特等奖等。

 

【新材料在线】：石墨烯若应用在半导体器件，需要存在带隙结构。旋转双层石墨烯可以解决单层石墨烯没有带隙的瓶颈。请问这项技术的先进性体现在哪些方面？您能否向我们简要介绍这一技术？

【刘忠范院士】：实际上，旋转双层石墨烯并没有严格意义上的带隙（bandgap），它还保持单层石墨烯独特的狄拉克锥能带结构，具有很高的载流子迁移率，这也是它可以应用在超快光电探测领域的一个基础。不同于单层石墨烯和AB堆垛双层石墨烯，旋转双层石墨烯的两个狄拉克锥能带相互作用，在交叠区域形成一个鞍点，也就是说在能量动量空间上，沿着一个切面看，产生了微能隙(minigap)，但它不等同于半导体领域中常说的带隙（bandgap），因为在另一个切面上看，minigap其实是两条曲线，能带还是连续的。

这项技术可望解决单层石墨烯光电探测器的低灵敏度问题。单层石墨烯光电探测器的优势是超快响应，基于石墨烯的光电探测器的工作频率可达40 GHz，理论带宽可达500 GHz，但它的劣势是低灵敏度。我们使用旋转双层石墨烯可以有效地提升其灵敏度，这是因为旋转双层石墨烯能带上的特殊结构对应了态密度上的范霍夫奇点，奇点导致了旋转双层石墨烯与入射光的相互作用被大大增强，我们将这种增强的光电相互作用应用至石墨烯光电探测，有效提高了光电响应灵敏度指标，同时还保持了超快响应的特性。

 【新材料在线】：旋转双层石墨烯可以通过调整旋转角度来调整能带结构，那么实现该技术的关键点有哪些？又是如何解决的呢？

【刘忠范院士】：实现这个技术的关键点，或者说难点有三个，一是旋转双层石墨烯的生长，二是能带的解析，三是光电器件的制备和表征。

 首先，我们成功在铜箔上制备了不同旋转角度的双层石墨烯单晶，目前能直接生长出这种样品的小组还比较少。生长的成功源于我们纳米化学研究中心在石墨烯化学气相沉积方面的多年积累，从2009年开始，我们发展了一系列独特的生长制备方法不同的石墨烯样品，如：厘米级单晶石墨烯、掺杂石墨烯、AB堆垛双层石墨烯等。这篇工作的并列一作王欢博士在5年的博士期间一直从事铜箔上石墨烯生长的研究，对石墨烯生长有很深的理解，在此基础上成功合成了不同旋转角度的旋转双层石墨烯，为其后续的性质研究奠定了材料基础。

另一个关键点是能带的解析，在这点上我们与牛津大学的陈宇林教授合作，他的博士生彭晗也是文章的并列一作。解析微米级样品的能带结构，需要具有高空间分辨的角分辨光电子能谱，而这也是陈宇林老师最近发展的尖端技术。利用这项技术，在意大利同步辐射光源上，他们昼夜奋战才测出漂亮的旋转双层石墨烯能谱数据，并且通过大量的实验，得出了范霍夫奇点与旋转角的关系，与理论上预测和STM研究结果一致，这是我们首次直接在铜箔衬底上观测到旋转双层石墨烯范霍夫奇点的存在。

第三个关键点是光电器件的制备及测量，在微纳器件制备和光电特性研究方面上，我们团队中彭海琳老师领导的研究小组已有十来年的经验积累，尹建波博士为了开展这个课题，利用近1年时间搭建了专业的光电流扫描及分析的显微镜，正是有这样的积累和经验，才能顺利推动这一课题的开展。

【新材料在线】：一旦这项技术走出实验室应用到实际生产中，将会对科技发展和我们的生活产生怎样的影响？

【刘忠范院士】：这项技术真正走向实际生产，还需要解决很多问题，包括材料问题，器件设计等。但如果石墨烯在高速光电探测领域的潜力能够得到充分挖掘并应用，将有可能提升光电探测的速度和带宽，在光通讯领域将会有重要影响。

 

【新材料在线】：您认为石墨烯大规模地应用于半导体领域还要多久？在这个过程中有哪些关键性问题需要解决？

 【刘忠范院士】：尽管未来几年可能会有一些石墨烯的相关产品进入大众的视野，但距离大规模应用还有一段路要走。产业化是一个复杂的问题，牵扯到很多层面，最为核心的是产品的质量与成本。在质量上，目前石墨烯的制备还处于比较粗放的阶段，对于大面积石墨烯薄膜的应用来说，生长出来容易，生长出来高迁移率、高质量的石墨烯比较难，而对于石墨烯粉体材料来说，石墨烯片的尺寸、结晶性仍有待提高。另一个问题是石墨烯的转移，转移过程中的破损和污染等因素，都制约了其应用。我们针对以上的问题还在开展研究，一个案例是将石墨烯直接生长在绝缘基底上，比如石墨烯玻璃，就很好的避免了转移过程的破损和污染。在成本上，目前石墨烯生长的成本还比较高，所以发展低成本的材料生长工艺也是当务之急。

【新材料在线】：石墨烯的性能很优越，但只有真正应用在实际中、实现产业化才能带来变革。对于加快推进石墨烯产业化步伐，您有哪些好的建议？

 【刘忠范院士】：首先需要中央和地方政府对于石墨烯的研究和产业化给予更多的引导和扶持，要从顶层做出设计，对石墨烯产业统筹规划，优化产业布局，避免产能过剩，增加科技含量，使石墨烯产业成为技术密集型产业。其次，国内的科研院所要将“做出原创性工作”定为研究目标，要注重发展拥有自主知识产权的产品和技术，不能急功近利。

还有很重要的一点，目前石墨烯的产品还是以概念性为主，石墨烯走向产业应用还缺少杀手锏级的应用，石墨烯走向产业化不应该是体现在“替代”某种材料。人们对石墨烯的关注点应放在其不可替代性上，即离开石墨烯不可的杀手锏级的用途，这种用途目前为止还没有找到，但是我们正在朝这个方向努力。