硼掺杂多层石墨烯的振动光谱线型研究

Single-layer graphene (SLG) can be stacked to form multilayer graphenes (MLG) in different stacking ways. However, MLGs exhibit distinct band structures and vibrational modes different from those of SLG. For Bernal-stacked MLGs, both the infrared in-plane vibrational G mode and the Raman active shear (C) mode exhibit a Fano lineshape, which result from the interaction between the discrete phonon vibrational modes and the continuum of electronic transitions. Because the continuum of electronic transitions and the electron-phonon coupling will be strongly dependent on the carrier concentration possibly induced by different doping level, it is expected that the lineshape of the G and C modes will be dominated by the doping level in MLG. In this project, we will prepare Boron-doped MLGs with different doping level by exfoliating bulk graphite with the corresponding doping level. By probing the C mode in the Raman spectrum and the G mode in the infrared absorption spectrum for those samples, the lineshape of the G and C modes dependent on the doping level can be revealed. Then, we will study theoretically how the lineshapes of the G and C modes dependent on the different doping level or Fermi energy. The combination of theoretical and experimental studies can offer deep insight into the electron-phonon coupling and the electronic density of states near the Dirac point of MLGs, and provide fundamental physics support for comprehensive understanding of band structures of MLGs and exploring their possible optoelectronic applications.

多层石墨烯（MLG）是由单层石墨烯（SLG）按不同方式堆垛而成的，但是MLG具有不同于SLG的电子能带结构和声子振动模式。按Bernal方式堆垛的本征MLG层内振动G模的红外吸收光谱和层间剪切C模的拉曼光谱均呈现出非对称的Fano线型。这种Fano线型来源于晶格振动与狄拉克点附近连续的电子激发之间的耦合作用。由于MLG狄拉克点附近电子激发与其掺杂所产生的载流子浓度密切相关，可以预期在不同掺杂浓度下MLG的G模和C模的光谱线型将会发生显著变化。本项目将通过制备不同浓度的硼掺杂多层石墨烯样品，分别采用红外光谱和拉曼光谱来研究G模和C模的线型随掺杂浓度的变化规律，并从理论上研究G模和C模线型与掺杂引起的费米能级移动之间的关系。理论与实验的结合将有助于在不同浓度掺杂下探测MLG的电声子耦合以及MLG狄拉克点附近的电子态密度，为深入理解MLG的电子能带结构和潜在的光电子应用提供物理支持。

按Bernal方式堆垛的本征多层石墨烯(MLG)层间剪切C模的拉曼光谱呈现出非对称的Fano线型，源于晶格振动与狄拉克点(Dirac点)附近连续的电子激发之间的耦合作用，而且Dirac点附近电子激发容易受到外界掺杂影响，使C模的光谱线型发生显著变化。本项目通过混合氧化硼与天然石墨，使用石墨炉在氩气环境中在2200℃下对该混合物进行约2小时的热处理以实现硼掺杂，并将天然石墨和硼掺杂石墨分别通过机械剥离法在带有孔洞的具有SiO2覆盖层的Si晶片上获得本征MLG和硼掺杂MLG薄片。首先，利用低频拉曼实验测试C模的Fano线型，发现随着层数增加，本征C峰的线型逐渐偏离对称线型，而且线宽逐渐变宽，硼掺杂后C峰的强度比未掺杂时变大，而且C峰的形状变得更倾向于洛伦兹线型而不是Fano线型。然后，根据Fano-Anderson模型，利用格林函数方法和紧束缚近似方法，计算了本征MLG的C模的不对称因子和线宽与层数的对应关系，以及计算了硼掺杂引起的费米面移动对C模不对称因子的影响。得到Bernal堆积的MLG随着层数的增加，有更多的子能带与C模耦合，其不对称因子的绝对值逐渐变大，而且发现层数为奇数的MLG中具有线性色散的子能带会大大削弱Fano效应，同时我们注意到3层与2层的实验和理论结果偏差可能归因于空气分子的吸附或来自顶层和底层的电荷转移；以2LG为例移动费米能级，发现2EF远低于C模频率(E(C))时，C模的线型变化不大，当2EF接近甚至大于E(C)时，C模的线型变得趋于对称。理论计算结果与实验结果基本一致。本工作基本完成了对MLG中C峰的Fano线型的物理机制的研究，同时研究了不同浓度硼掺杂情况下MLG的缺陷振动模式的特征，硼掺杂MLG的层间耦合，转角和折叠MLG的层间耦合等，为深入理解MLG的Dirac点附近更多电子特性和潜在的光电子应用提供物理支持。项目资助取得的科研成果以论文形式刊发，共发表论文15篇，目前还有2篇待投。培养硕士生3名。项目投入经费23万，支出18.3252万，各项支出基本与预算相符，剩余经费计划用于本项目研究的后续支出。