【研究背景】最近，小扭转角（<2°）双层石墨烯已经受到了非凡的关注，因为它激动人心的物理性质。与单层石墨烯相比，扭曲双层石墨烯的布里渊区折叠（TBG）导致超晶格带隙的形成和态密度的显著优化。但是，这些新兴特性很少被用于实现新的光电器件。有鉴于此，耶鲁大学夏丰年和德克萨斯大学达拉斯分校Zhang Fan等人展示了在5至12μm的中红外波长范围内强的、门可调的光响应。当将1.81°TBG中的费米能级调整至其超晶格带隙时，在12μm处已实现了26 mA W -1的最大外在光响应性。此外，强光响应主要取决于超晶格带隙的形成，并且在超小扭转角（<0.5°）的无间隙情况下消失。该结果证明了TBG在可调谐的中红外光电应用中具有值得期望的作用。相关研究成果以Strong mid-infrared photoresponse in small-twist-angle bilayer graphene为题发表在Nature Photonics期刊上。
图文解读
下图1a显示了这项工作中用于中红外光电检测的TBG晶体管的示意图。图1b绘制了在83 K下测得的晶体管的源极-漏极电阻与背栅偏置（V BG）的函数关系，其中源极-漏极偏置（V DS）为10 mV。该器件中的顶层和底层hBN层的厚度分别为30 nm和25 nm，其光学显微照片如图1c所示。图1b中的电阻形状和图1c中的Rex非常相似，只不过光电流具有两个极性，而源漏电阻不能为负。另外，由于能带结构的固有不对称性，在电阻和光电流测量中都存在电子-空穴不对称性（图1b，c）。尽管在电子和空穴分支中都有超晶格引起的带隙，但是带隙的大小和详细的能带结构是不同的。正如稍后将要说明的那样，光响应取决于带隙的大小和详细的带结构。结果，对于所有三个波长观察到传输和光响应特性的不对称并不奇怪。
图1.在1.81°TBG中有很强的中红外光响应
随后，作者进行了TBG光吸收计算，以弄清光响应的起源及其对门的依赖性。如图2a所示，动力学电导率右边超越带隙能量为约8 σ0，表示非常强的光吸收大大超过4.6％，这是在石墨烯双层中通过带间跃迁发生的光吸收。光的强吸收不会直接产生强光电流。电导的温度系数的门相关性明显类似于图1c中的光响应，表明TBG中观察到的光响应的辐射热性质。
图2. 摩尔纹超晶格增强的Bolometric光电流
当扭转角略低于1°时，在电子填充状态为±4的超晶格带隙通常会闭合，并且随着扭转角进一步减小，超晶格带隙几乎不会重新打开。作者在TBG中以〜0.37°的超小扭曲角测量了门相关的光响应。如图3a所示，这种小型扭曲角器件的源漏电阻即使在2 K时也不会在电子和空穴分支中都显示出主要的侧峰，这与扭曲角为1.81°和1.15°的TBG中报道的传输特性截然不同。如箭头所示，通过两个小的侧面波纹来估计扭转角为0.37°。在如此小的扭转角中，从-32 n0到32 n0没有超晶格带隙。复杂的晶格弛豫和重构不会改变这种性质。该TBG的依赖于门的光响应在图3b中绘出。电子或空穴分支中不存在光响应峰。此外，在狄拉克点（电荷中性点），在这个超小扭曲角TBG中观察到约1.2 mA W -1的弱正光响应性。
图3. 超小扭曲角双层石墨烯中的光响应
关于红外光电检测的最佳扭曲角，能量低于〜100 meV的光，由于带边缘处的强吸收，最佳晶格扭曲角可能是超晶格引起的间隙与光子能量大致匹配的扭曲角；对于大于100meV的光子能量，没有带隙与光子能量匹配的扭转角。
文献信息：Strong mid-infrared photoresponse in small-twist-angle bilayer graphene
https://www.nature.com/articles/s41566-020-0644-7
粤公网安备 44190002005690号
