[论文解读] A review of the electronic and optical properties of strained graphene and other similar 2D materials

Gerardo G. Naumis, Salvador Barraza‐Lopez+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2016

2D Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本综述系统总结了应变诱导石墨烯及其相关二维材料电子与光学性质变化的当前理解，采用理论模型揭示了分形能谱、涌现引力及拓扑态等奇异量子现象。研究表明，应变工程可实现光学电导率与拉曼响应的可调谐性，为新型自旋电子器件设计提供了可能。

ABSTRACT

This review presents the state of the art in strain and ripple-induced effects on the electronic and optical properties of graphene. It starts by providing the crystallographic description of mechanical deformations, as well as the diffraction pattern for different kinds of representative deformation fields. Then, the focus turns to the unique elastic properties of graphene, and to how strain is produced. Thereafter, various theoretical approaches used to study the electronic properties of strained graphene are examined, discussing the advantages of each. These approaches provide a platform to describe exotic properties, such as a fractal spectrum related with quasicrystals, a mixed Dirac-Schrodinger behavior, emergent gravity, topological insulator states, in molecular graphene and other 2D discrete lattices. The physical consequences of strain on the optical properties are reviewed next, with a focus on the Raman spectrum. At the same time, recent advances to tune the optical conductivity of graphene by strain engineering are given, which open new paths in device applications. Finally, a brief review of strain effects in multilayered graphene and other promising 2D materials like silicene and materials based on other group-IV elements, phosphorene, dichalcogenide- and monochalcogenide-monolayers is presented, with a brief discussion of interplays among strain, thermal effects, and illumination in the latter material family.

研究动机与目标

• 系统分析机械应变与波纹对石墨烯及其他二维材料电子与光学行为的影响。
• 识别并解释应变在二维晶格中诱导的奇异量子现象，如分形能谱与涌现引力。
• 评估描述应变石墨烯电子结构的理论框架及其预测能力。
• 综述应变调控光学性质的理论与实验进展，特别是拉曼光谱与电导率。
• 将洞察拓展至双层石墨烯及新兴二维材料（如硅烯、黑磷烯与二硫属族化合物），包括应变-热-光耦合效应。

提出的方法

• 利用晶体学与衍射图样分析，模拟二维晶格中的各种形变场。
• 应用紧束缚模型与连续弹性理论等理论方法，描述应变对电子能带结构的影响。
• 采用狄拉克方程形式化方法，结合规范场类比，模拟应变下涌现的相对论效应。
• 将拉曼光谱作为探测石墨烯中应变分布与晶格畸变的关键实验手段。
• 整合应变下光学电导率的计算，评估其在器件应用中的可调谐性。
• 通过引入层间耦合与各向异性力学响应，将模型扩展至多层体系及其他二维材料。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同类型的应变与波纹图案如何改变石墨烯的电子能带结构？
• RQ2 何种理论框架最能描述应变二维体系中分形能谱与狄拉克-薛定谔混合行为的出现？
• RQ3 应变如何调制石墨烯的拉曼光谱与光学电导率？
• RQ4 应变工程在实现二维材料可调谐光电响应方面有哪些应用途径？
• RQ5 过渡金属二硫属族化合物单层中，应变、热效应与光照射如何相互作用？

主要发现

• 石墨烯中的应变诱导出类似于准晶体系的分形能谱，源于准周期性晶格畸变。
• 应变石墨烯表现出狄拉克-薛定谔混合行为，其中相对论性狄拉克费米子与非相对论性薛定谔型态发生混合。
• 应变产生有效规范场，类比引力势，导致二维晶格中涌现引力效应。
• 应变工程可实现石墨烯中光学电导率的可调谐性，为动态光电探测器与调制器设计提供新路径。
• 拉曼光谱显示明显的应变依赖性峰位移动与展宽，可作为局部应变分布的可靠探测手段。
• 双层石墨烯及黑磷烯、二硫属族化合物等二维材料表现出复杂的应变-热-光耦合效应，显著影响其电子与光学响应。