研究人员现在发现，石墨烯的不同物理改变，如层叠和扭曲，如何影响其光学特性和电导率。
石墨烯以其比钢轻和比铜更导电著称，是电导纳米材料中的顶尖竞争者，正在被探索用于众多技术应用。
科学家们正在深入研究这种显著的碳形式，它由一层平坦的碳原子组成，原子以重复的六边形模式排列。
来自佛罗里达州立大学物理系和国家高磁场实验室的一个团队发表了新的研究，揭示了对石墨烯进行不同物理操作如何影响其光学特征和电导率。它们的研究结果发表在《纳米快报》期刊上。
在助理教授Guangxin Ni的指导下，助理教授Cyprian Lewandowski和研究生助理Ty Wilson共同研究，团队发现扭曲双层石墨烯的电导率在物理或化学变化下保持相对稳定。相反，它在很大程度上依赖于层之间扭曲造成的微妙几何变化。这一见解为进一步研究温度和频率如何影响石墨烯的特性铺平了道路。
“我们的研究起源于试图解释扭曲双层石墨烯的光学性质，这种性质以前使用扫描近场光学显微镜观察过。然而，没有人对比过不同的扭曲角度来看待它，”Wilson解释道。“我们旨在从这个角度分析这种材料。”
在他们的研究中，团队拍摄了不同区域的扭曲双层石墨烯中的极小能量波（由物质内部电子的集体运动产生的），这些被称为等离子体。
“扫描近场光学显微镜将特定波长的红外光投射到样品上，收集散射光以创建超越衍射极限的纳米级图像，”Wilson说道。“一个关键特性是一根显著增强光与物质相互作用的针，使我们能够以纳米光观察这些等离子体。”
研究人员检查了晶格中的晶界缺陷，揭示了扭曲双层石墨烯中的不同区域。这些区域包含的等离子体引起了研究小组的兴趣，因为这两层碳原子以定义的角度扭曲，同时相对于下面的一层透明层状晶体六氮化硼也进行了扭曲。
在物理学中，由一组直线或曲线叠加而形成的几何设计被称为“摩尔图案”，这个术语源自法语，意为“水波纹”。双层石墨烯和氮化硼的扭曲形成了一个“双摩尔”结构或“超晶格”，由这两层图案组成。
“我们旨在比较每个区域的反射近场信号，不像大多数以前对石墨烯的研究，主要集中在单一的扭曲角度，未曾探索这些‘摩尔的摩尔’配置，”Wilson指出。
研究人员发现，扭曲双层石墨烯与氮化硼的光学导电性在扭曲角度小于两度时并没有显著变化，即使在石墨烯被掺杂且受到不同红外频率影响时也是如此。
“这表明，这种超摩尔材料的光电特性在很大程度上不受化学掺杂或石墨烯扭曲角度的影响，而更多地依赖于超摩尔结构本身及其对材料中电子带的影响，从而提高光学导电性，”Wilson解释道。
Lewandowski对这些发现表示兴奋，强调多层摩尔系统在创造可定制光学特性的材料方面的潜力。
“Ni教授团队采用的测量方法使我们能够研究二维材料的局部光学响应，补充了通常应用于二维结构的其他测量技术，”他说。“有趣的是，借助理论模型的支持，报告的测量结果展示了一种二维系统如何在不需要主动电子反馈的情况下，在广泛光频率范围内获得几乎均匀的光学响应。”
这项研究的结果强调了几何松弛在双摩尔晶格中扮演的重要角色，帮助科学家理解像石墨烯这样的纳米材料可能如何对各种操作做出反应。这一知识可以帮助研究人员开发具有理想光学特性的材料，如提高电导率，促进摩尔光电技术的创新发展，其中可能包括热成像技术和计算处理器的光学开关的进步。
“这为我们对不能通过常规衍射限制的远场光学实现的纳米光学和电子现象的持续探索奠定了基础，”Ni表示。
