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近年隨著扭轉(zhuǎn)角在魔角范圍(~1.1°)的雙層石墨烯中新奇量子現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的研究受到越來越多的關(guān)注。因此，催生了一個新的研究領(lǐng)域—twistronics。常規(guī)雙層石墨烯是通過AB堆垛形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而對于扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯，其表面會展現(xiàn)出摩爾條紋超晶格，并且該超晶格周期與雙層石墨烯能帶結(jié)構(gòu)會隨著扭轉(zhuǎn)角度的變化而改變。目前的實驗室小扭轉(zhuǎn)角雙層石墨烯多是通過微機(jī)械剝離法與手工堆垛方法制備，如何通過生長的方法直接制備小扭轉(zhuǎn)角雙層石墨烯是當(dāng)前需要解決的重要課題。 

　　圖1、h-BN表面扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯制備工藝示意圖 

　　近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所王浩敏研究員課題組與清華大學(xué)李群仰教授團(tuán)隊合作首次報道了在六角氮化硼(h-BN)表面通過化學(xué)氣相沉積法制備具有不同扭轉(zhuǎn)角的雙層石墨烯研究工作，并發(fā)現(xiàn)小扭轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的局域原子重構(gòu)對其垂直電導(dǎo)的影響。相關(guān)研究成果“Abnormal conductivity in low-angle twisted bilayer graphene”于11月20日在線發(fā)表于著名期刊《科學(xué)進(jìn)展》上（Science Advances, 6, eabc5555, 2020）。 

　　上海微系統(tǒng)所課題組提出了通過非平衡化學(xué)氣相沉積法在h-BN表面制備不同扭轉(zhuǎn)角度雙層石墨烯的新方法：通過在h-BN表面首先制備單層多晶石墨烯薄膜，之后在其表面進(jìn)行石墨烯單晶疇生長，最終實現(xiàn)了h-BN表面具有不同扭轉(zhuǎn)角度的雙層石墨烯制備。通過與李群仰教授課題組合作采用導(dǎo)電原子力顯微鏡(C-AFM)測量對比了不同扭轉(zhuǎn)角度雙層石墨烯垂直電導(dǎo)情況，發(fā)現(xiàn)了小扭轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中垂直電導(dǎo)的反常角度依賴性。隨后與高磊副教授課題組合作，借助原子級界面接觸質(zhì)量模型、密度泛函理論計算和掃描隧道顯微鏡的高分辨表征，進(jìn)一步揭示了小扭轉(zhuǎn)角下的反常電導(dǎo)行為源于雙層石墨烯的局部原子重構(gòu)導(dǎo)致的平均載流子濃度的降低。該發(fā)現(xiàn)首次揭示了范德華材料中原子級重構(gòu)對垂直電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，為理解小扭轉(zhuǎn)角范德華材料獨特的物理行為提供了指導(dǎo)，也為設(shè)計和優(yōu)化二維材料的電學(xué)性能提供了新的思路。 

　　圖2、h-BN表面扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯示意圖與C-AFM電流掃描圖像 

　　該研究工作共同第一作者為清華大學(xué)博士生張帥、宋愛生與上海微系統(tǒng)所陳令修博士，通訊作者為清華大學(xué)李群仰教授、上海微系統(tǒng)所王浩敏研究員和北京科技大學(xué)高磊副教授。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目、中科院先導(dǎo)B類計劃和上海市科委基金的資助。 

參考資料

[1]  中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海微系統(tǒng)所成功制備小扭轉(zhuǎn)角度雙層石墨烯,http://www.sim.ac.cn/xwzx2016/kyjz/202011/t20201125_5779758.html

[2] 論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc5555