近日，南开大学物理科学学院&泰达应用物理研究院许京军教授、蔡卫教授、罗维维副教授团队利用近场光学显微技术，实现了对能带和费米能级分别调控下双层石墨烯光学性质的纳米尺度探测，该工作于6月1日以“Nanoinfrared Characterization of Bilayer Graphene Conductivity under Dual-Gate Tuning”为题，发表在国际重要学术期刊《Nano Letters》上。
通过竖直堆叠获得的二维范德瓦尔斯层状材料表现出丰富的物理现象，例如双层石墨烯中带隙的打开，魔角石墨烯超晶格中的强关联行为和非常规超导现象。此外，依靠双栅极调控提供的两个自由度，可以独立调节异质结材料中载流子浓度和层间静电势，实现新颖的物理现象，比如当双层石墨烯的费米能级位于其能带带隙中时，其拓扑边界存在一维等离激元波。
传统的光学探测手段，包括典型的远场光谱学，为揭示实验现象背后的物理机制提供了不可或缺的信息。然而，受衍射极限的限制，空间分辨率通常处于自由空间光波长的数量级，而在红外波段则超过了微米。散射型扫描近场显微镜（s-SNOM）的快速发展提供了空间分辨率为10-20nm的纳米级探针，广泛用于探测局部光学特性、极化激元性质等。该团队近些年来利用近场光学技术在纳米光子学领域开展了一系列深入的研究，包括人工诱导电子型边界对石墨烯等离激元波反射的可控调节(Advanced Materials, 29, 1701083 (2017))，氧化物界面二维电子气性质的超灵敏探测(Nature Communications, 10, 2774 (2019))等。
在本文中，在单层石墨烯充当顶栅、金电极做背栅的条件下，通过双栅电压的分别调控，可以实现对双层石墨烯能带带隙和费米能级的独立调控。同时，单层和双层石墨烯构成了等离激元耦合体系，纳米红外成像探测到耦合体系中光学模式的色散，进而对双栅调控下双层石墨烯的电导率性质进行了纳米尺度表征。实验结果与紧束缚近似模型下双层石墨烯的光学性质相符。更进一步的实验研究证实了双层石墨烯中的电子-空穴的不对称性。该研究将为耦合等离子激元体系的设计和探测提供启发。此外，对可调载流子浓度和层间静电势的纳米成像为研究包括超晶格、二维异质结构中的拓扑边界态在内的丰富现象提供了一种通用且灵敏的纳米手段。
该工作从样品制备、理论计算到实验探测均由南开大学纳米光子学团队完成，罗维维副教授为论文第一作者，通讯作者为罗维维副教授、蔡卫教授和许京军教授。该研究得到了国家自然科学基金委青年项目、基金委面上项目、广东省基础与应用基础研究重大项目以及111基地等项目资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.1c01167
团队成员个人主页：
罗维维副教授：https://my.nankai.edu.cn/wlxy/lww/list.psp
蔡卫教授：https://my.nankai.edu.cn/wlxy/cw/list.htm