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《Science 》重大突破，石墨烯又有新發(fā)現(xiàn)！

2022-03-24 13:28:16 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

引言

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，量子芯片、元宇宙、智慧工廠、腦機(jī)接口等新型技術(shù)的崛起極大的豐富了人們的生活。在這種時(shí)代背景下多功能材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)成為重中之中。其中，摩爾超晶格結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的研究價(jià)值，它對(duì)半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展以及微觀結(jié)構(gòu)理論的完善具有重要的推動(dòng)作用。

摩爾超晶格結(jié)構(gòu)是指通過范德華作用力，將二維材料進(jìn)行垂直堆疊組裝，并對(duì)晶格不匹配的單層晶體進(jìn)行耦合。由于耦合過程中常常會(huì)出現(xiàn)晶格失配的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致摩爾斑圖的出現(xiàn)。因而稱為摩爾超晶格結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以提供一個(gè)研究電子物理的多功能平臺(tái)。外加一些實(shí)驗(yàn)按鈕，如成分、扭轉(zhuǎn)角、門電場、電子能帶結(jié)構(gòu)和電荷在這些合成量子材料中，密度可以（原位）獨(dú)立控制。因此，在二維莫爾超晶格中可以觀察到超導(dǎo)性、相關(guān)絕緣態(tài)、軌道磁性和相關(guān)Chern絕緣體。其中，以石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)為代表，通過改變本征石墨烯的能帶，產(chǎn)生自相似的超晶格子帶，進(jìn)而會(huì)局部地打破石墨烯的晶格對(duì)稱性，導(dǎo)致超導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變的出現(xiàn)。先前有研究表明通過改變雙層石墨烯中兩層之間的魔角可以實(shí)現(xiàn)絕緣性和鐵磁性之間的轉(zhuǎn)變，并通過通過反霍爾效應(yīng)行為得以證實(shí)。然而，到目前為止，該絕緣狀態(tài)的性質(zhì)以及相關(guān)的性能調(diào)控機(jī)制尚不清晰，缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

成果介紹

對(duì)此，來自美國麻省理工學(xué)院物理系的 Long Ju團(tuán)隊(duì)通過傅里葉變換紅外光譜來對(duì)三層石墨烯/六方氮化硼摩爾超晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。在本研究中，信噪比得到了顯著改善。結(jié)果表明，當(dāng)通過門腔打開帶隙時(shí)，莫爾微帶之間的過渡會(huì)持續(xù)變窄，表明單粒子帶寬減少。在價(jià)平帶的一半填充處，寬的吸收峰出現(xiàn)在約18毫伏電子伏處，表明一個(gè)分子受到直接光激發(fā)正在出現(xiàn)的莫特缺口。在另外兩種相關(guān)的絕緣狀態(tài)下觀察到類似的光電流譜在第一個(gè)導(dǎo)帶的四分之一和一半填充。該研究提供了三層石墨烯/六方氮化硼中電子關(guān)聯(lián)的哈伯德模型的關(guān)鍵參數(shù)。為摩爾超晶格結(jié)構(gòu)的探索以及性能調(diào)控機(jī)制的理解具有重要的意義。相關(guān)成果以“Spectroscopy signatures of electron correlations in a trilayer graphene/hBN moiré superlattice”為題發(fā)表在science期刊上。

圖文速遞

圖一器件結(jié)構(gòu)與帶間光學(xué)躍遷

圖二位移場相關(guān)的零摻雜帶間光學(xué)躍遷

圖三絕緣狀態(tài)下的光學(xué)躍遷

圖四磁場誘導(dǎo)相關(guān)絕緣態(tài)的光學(xué)躍遷

成果啟示

綜上所示，該研究說明通過傅里葉變換紅外光譜技術(shù)可以更好地揭示三層石墨烯/六方氮化硼結(jié)構(gòu)中的原子尺度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提供相應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)。通過改變石墨烯的魔角可以產(chǎn)生很多奇特的性能。該項(xiàng)工作表明光學(xué)測量是研究摩爾超晶格的一種有效的手段，可以更好地揭示摩爾能帶的變化特征以及絕緣性-超導(dǎo)電性之間的演變規(guī)律。

文獻(xiàn)鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3036

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