研究和理解固體表面上原子或分子間的相互作用是表面物理領域的基本科學問題之一，由此控制它們的自組裝結構對發(fā)展納米器件具有重要的意義。吸附在固體表面的原子或分子可以通過襯底的電子散射或者彈性扭曲而發(fā)生間接相互作用，這種襯底調制的長程原子或分子間相互作用在原子和分子自組裝中扮演著重要的角色。之前的實驗多數集中在金屬襯底。2004年發(fā)現(xiàn)的石墨烯，是一個無質量的狄拉克費米子體系，研究石墨烯與外來吸附原子或分子的相互作用，不但能豐富表面物理的知識，對拓展石墨烯的應用也具有重要意義，因而吸附物-石墨烯體系在過去幾年得到了廣泛的關注。不過，這些研究大多都集中在吸附物與石墨烯的相互作用和原子/分子吸附后石墨烯性質的變化，對石墨烯表面上吸附物之間的相互作用卻鮮有報道。
近期，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）表面物理實驗室馬旭村研究員與清華大學物理系薛其坤院士、北京應用物理與計算數學研究所張平研究員合作，利用掃描隧道顯微鏡研究了堿金屬Cs原子在熱解6H-SiC(0001)獲得的石墨烯表面上的吸附行為，發(fā)現(xiàn)Cs原子在石墨烯表面的吸附行為與層厚和6×6褶皺相關。在單層石墨烯（MEG）表面，Cs原子優(yōu)先吸附于石墨烯表面6×6結構的rim位；而在雙層石墨烯（BEG）和多層石墨烯表面，這種優(yōu)先性極大降低。在合適的覆蓋度下（1ML和1/3ML），Cs原子在2-5層石墨烯表面上均可以形成兩種長程有序的超晶格結構，其周期分別為1.85 nm（1×1超晶格）和3.20 nm（√3×√3超晶格），如圖1所示。對MEG和BEG表面上Cs-Cs原子最近鄰距離分布的統(tǒng)計分析表明，Cs-Cs原子之間存在強的長程排斥相互作用，而且在BEG表面上表現(xiàn)得更強（圖2）。進一步分析表明，MEG和BEG表面上每個Cs原子分別貢獻0.33和0.4個電子給石墨烯，并由此導致石墨烯表面Cs-Cs原子間存在靜電排斥相互作用（圖3），這與密度泛函理論計算結果非常吻合。
根據這些研究，他們提出了BEG和多層石墨烯（3-5）表面Cs原子超晶格的形成機制：6H-SiC(0001)襯底上石墨烯表面周期、褶皺的6×6結構是Cs原子吸附的模板，rim和valley位間的能量勢壘（隨層厚增加而減�。┮种茻釢q落導致的Cs原子擴散和無序；Cs原子與石墨烯襯底間電荷轉移誘導Cs-Cs原子間排斥的靜電相互作用（隨層厚增加而增強）抑制Cs團簇的形成和誘導超晶格結構；只有當以上兩種相互作用均比較強（2-5層）時，rim和valley位間的能量勢壘才能克服熱漲落導致的無序，Cs超晶格才能穩(wěn)定。
該研究結果發(fā)表在2012年第15期的Physical Review Letters（108，156803 (2012)）上。此項工作得到了國家自然科學基金和科技部重大研究計劃的經費支持。
圖1. STM形貌圖：(a) 1ML Cs原子吸附在MEG表面；(b) 1ML Cs原子吸附在BEG表面；(c) 1/3 ML Cs原子吸附在BEG表面；(d) 1/3 ML Cs原子吸附在6層的石墨烯表面。
圖2. MEG和BEG表面Cs原子最近鄰距離統(tǒng)計柱狀圖，其中黑線為無相互作用隨機分布曲線。
圖3. BEG表面Cs-Cs原子間平均相互作用勢，虛線對應0.4e電荷轉移誘導靜電勢曲線。插圖是ab initio 計算結果。
近期，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）表面物理實驗室馬旭村研究員與清華大學物理系薛其坤院士、北京應用物理與計算數學研究所張平研究員合作，利用掃描隧道顯微鏡研究了堿金屬Cs原子在熱解6H-SiC(0001)獲得的石墨烯表面上的吸附行為，發(fā)現(xiàn)Cs原子在石墨烯表面的吸附行為與層厚和6×6褶皺相關。在單層石墨烯（MEG）表面，Cs原子優(yōu)先吸附于石墨烯表面6×6結構的rim位；而在雙層石墨烯（BEG）和多層石墨烯表面，這種優(yōu)先性極大降低。在合適的覆蓋度下（1ML和1/3ML），Cs原子在2-5層石墨烯表面上均可以形成兩種長程有序的超晶格結構，其周期分別為1.85 nm（1×1超晶格）和3.20 nm（√3×√3超晶格），如圖1所示。對MEG和BEG表面上Cs-Cs原子最近鄰距離分布的統(tǒng)計分析表明，Cs-Cs原子之間存在強的長程排斥相互作用，而且在BEG表面上表現(xiàn)得更強（圖2）。進一步分析表明，MEG和BEG表面上每個Cs原子分別貢獻0.33和0.4個電子給石墨烯，并由此導致石墨烯表面Cs-Cs原子間存在靜電排斥相互作用（圖3），這與密度泛函理論計算結果非常吻合。
根據這些研究，他們提出了BEG和多層石墨烯（3-5）表面Cs原子超晶格的形成機制：6H-SiC(0001)襯底上石墨烯表面周期、褶皺的6×6結構是Cs原子吸附的模板，rim和valley位間的能量勢壘（隨層厚增加而減�。┮种茻釢q落導致的Cs原子擴散和無序；Cs原子與石墨烯襯底間電荷轉移誘導Cs-Cs原子間排斥的靜電相互作用（隨層厚增加而增強）抑制Cs團簇的形成和誘導超晶格結構；只有當以上兩種相互作用均比較強（2-5層）時，rim和valley位間的能量勢壘才能克服熱漲落導致的無序，Cs超晶格才能穩(wěn)定。
該研究結果發(fā)表在2012年第15期的Physical Review Letters（108，156803 (2012)）上。此項工作得到了國家自然科學基金和科技部重大研究計劃的經費支持。
圖1. STM形貌圖：(a) 1ML Cs原子吸附在MEG表面；(b) 1ML Cs原子吸附在BEG表面；(c) 1/3 ML Cs原子吸附在BEG表面；(d) 1/3 ML Cs原子吸附在6層的石墨烯表面。
圖2. MEG和BEG表面Cs原子最近鄰距離統(tǒng)計柱狀圖，其中黑線為無相互作用隨機分布曲線。
圖3. BEG表面Cs-Cs原子間平均相互作用勢，虛線對應0.4e電荷轉移誘導靜電勢曲線。插圖是ab initio 計算結果。
