双层石墨烯中畴壁对等离激元的反射研究获进展

 图1.利用近场红外纳米成像技术对双层石墨烯中的畴壁进行成像。（a）近场红外纳米成像技术示意图；（b）双层石墨烯AFM高度图；（c）相应的近场光学图像。

 图2.（a）－（c）双层石墨烯中丰富多彩的畴壁结构；（d）－（e）两种极限畴壁shear和tensile的微观结构示意图。

 图3.（a）栅极电压对shear和tensile两种畴壁处等离激元反射行为的调制作用；（b）不同栅极电压下沿着图（a）白色虚线处的轮廓线。

   双层石墨烯中由位错导致的畴壁（domain wall）是一种具有孤子性质的一维体系，其独特的结构使得该一维体系具有奇特的电学及光学性质。实验中已观测到了该一维体系中存在拓扑保护的量子谷霍尔边界态。该量子霍尔边界态存在于双层石墨烯中所有位错导致的畴壁中。然而，沿着不同晶格方向的畴壁具有不同的局域原子结构，这使得畴壁具有不同的孤子类型。因此，可能会导致不同的电学、力学以及光学性质。而二维石墨烯中的激发元与一维不同类型的孤子之间的相互作用，也可能导致新奇的物理现象。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）纳米物理与器件实验室N04组博士生姜丽丽、中国科学院院士高鸿钧与加州大学伯克利分校史志文、王枫等人合作，利用近场红外纳米显微技术观测到了机械剥离的双层石墨烯中存在的丰富多彩的畴壁图案，证实了畴壁在近场光学图像中的成像机制是石墨烯中的表面等离激元在畴壁处发生了反射。与此同时，实验中发现表面等离激元的反射行为强烈依赖于畴壁的孤子类型，在shear型和tensile型两种不同的畴壁处，表面等离激元具有明显不同的反射相位和反射强度，并且实验上可以通过栅极电压对表面等离激元的反射行为进行调控。该研究结果证实了双层石墨烯中表面等离激元与一维畴壁孤子的可调控的耦合作用，并提供了一种新的在纳米尺度控制石墨烯中表面等离激元的方法。

　　相关工作发表在近期的《自然-材料》（Nature Material 15, 840–844 (2016)）上。

　　该工作得到了国家自然科学基金、科技部和中科院的支持。