石墨烯量子点在光电器件、生物成像、量子信息等领域具有广泛的应用潜力，大量实验表明多层石墨烯量子点的性质与层间转角和外加电场有关。利用层间转角和外加电场调控双层或多层石墨烯带隙和介电性质，是当前石墨烯研究中的一个重要领域。

利用第一性原理方法研究了双层石墨烯量子点带隙随量子点尺寸、扭转角和外加电场的变化规律。带隙随扭转角发生变化，在0°时，带隙具有最小值，在一些特定的角度出现极大值和极小值。无外加电场时，带隙随量子点尺寸增大而减小；在外加垂直电场作用下，带隙的变化值随尺寸增大而增大。当扭转角度一定时，外加电场使带隙变窄，带隙的变化可表达为电场强度的二次函数。带隙的变化与层间堆垛模式相关。层间耦合强度随转角变化，导致HOMO和LUMO发生异步移动（图1）。研究结果不仅揭示了转角石墨烯量子点中特殊的斯塔克效应及其物理起源，而且提出了利用量子点尺寸、扭转角和外加电场控制量子点带隙的策略。

图1. 电场诱导下转角石墨烯量子点的HOMO和LUMO产生异步漂移，导致较大的Stark效应

为了研究外加电场下的层间电子转移，发展了将石墨烯量子点极化率拆分为层间和层内两个部分的分解方法（图2）。利用这一方法，结合第一性原理计算研究了双层石墨烯量子点层间和层内极化率随扭转角度和尺寸之间的关系。层间扭转导致水平和垂直方向的极化率变化，但垂直方向变化率较大。在垂直方向，层间极化率的变化显著大于层内极化率；层间极化率在扭转角为0º时最小，随着旋转角度迅速增加，并在一个较小的角度达到第一个峰值，其大小与Bernal结构相近，推导了石墨烯量子点尺寸与第一个峰值对应角度的关系式，可以利用该关系预测层间耦合强度、量子点尺寸、扭转角和摩尔条纹之间的关系。

图2. 双层石墨烯量子点中的层内和层间极化率

多层石墨烯中，在垂直电场的驱动下，电子可以在层间流动，通过控制层间堆积方式、层间距、量子点尺寸和电场强度来调节其电荷转移程度。利用第一性原理计算研究了三层转角石墨烯量子点中层间和层内极化率随旋转角度和尺寸之间的关系，用层间和层内极化率分别研究了层间的电荷转移和电场屏蔽效应（图3）。 研究表明，石墨烯量子点在垂直方向上的导电性/介电性转换可以通过层间扭转进行调控。中间层受到上层和底层的屏蔽，在电荷转移中起到桥梁、开关和强化作用。在偏离AAA结构的较小角度，发现了较强的电荷转移和屏蔽效应，对应于量子点的边缘层出现的AB结构。

图3. 层间电荷转移和层间屏蔽效应

上述工作近期分别发表于《Nano Research》、《Physical Reviews B》和《Nanoscale》，原子与分子物理研究所2019级博士生王仙为论文第一作者，指导教师为杨明理教授。

参考文献：

Xian Wang, Yingqi Cui, Li Zhang and Mingli Yang*, Nano Research, 2021, 14: 3935.

Xian Wang, Li Zhang, Shengping Yu, Mingli Yang* and Koblar Alan Jackson*, Physical Reviews B, 2021, 104: 155411.

Xian Wang, Yingqi Cui, Li Zhang and Mingli Yang*, Nanoscale, 2022, 14: 1310.