北理工團隊通過移動納米氣泡實現轉角石墨烯中摩爾超晶格的精準調控
發布日期：2024-07-02 供稿：前沿院 攝影：前沿院
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數：二維材料在旋轉或層間晶格失配時會產生新的摩爾周期，從而衍生出許多不同于單層和多層的新奇物理現象。例如，轉角雙層石墨烯中會產生非常規超導和關聯電子行為，轉角二維磁性材料中可以形成競爭磁基態。近年來，摩爾超晶格成為調控二維材料各類新奇物性的重要手段，是當今凝聚態物理中的重要研究方向之一。然而，摩爾超晶格的構型對于角度、應變場分布等參數非常敏感，要研究摩爾超晶格誘導的多種物性需要制備大量的不同樣品。近年來摩爾超晶格領域的研究得到了快速的發展，同時也遇到了顯著的挑戰，如何在同一樣品中實現摩爾超晶格的連續操控對于研究各種物理性質的演變也至關重要。
近日，北京理工大學黃元教授，王業亮教授，和徐曉龍教授等人在Nano Letters上發表了借助于移動二維異質結中的納米氣泡實現摩爾超晶格調控的研究工作。團隊研究人員在轉角單層-多層石墨烯中，發現氣泡誘導的應變場對附近摩爾超晶格有著巨大的影響，借助AFM針尖動態連續地移動納米氣泡，實現了摩爾超晶格的精準調控，觀察到了規則的三角形疇演變為具有單疇壁或雙疇壁的長條形疇結構的過程。進一步地，通過移動多個納米氣泡還可以建立氣泡之間應變場的耦合實現了摩爾超晶格的可控調控。
這種簡單易行的摩爾條紋調控能力為實現多種堆垛結構的連續變化提供了一種新的技術手段，也將為研究轉角二維體系中更多新穎物性帶來更多的機會。相關成果以“Manipulation of moiré superlattice in twisted monolayer-multilayer graphene by moving nanobubbles”為題發表在頂級國際期刊Nano Letters上（doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02548），第一作者為物理學院碩士研究生丁鵬飛（2024年夏季畢業生），北京理工大學黃元教授，王業亮教授和徐曉龍教授為共同通訊作者，該工作得到了基金委、科技部和北京理工大學等項目的資助。
圖1. 在轉角單層-多層石墨烯上，實現摩爾超晶格的觀察。
借助于c-AFM技術，作者在轉角單層-多層石墨烯表面觀察到摩爾超晶格網絡，三角疇的差異來源于不同堆垛結構的電導不同。
圖2. 不均勻應變場下的摩爾超晶格網絡的連續分布。
作者發現在氣泡附近，摩爾超晶格網絡會發生相應的扭曲變形。當多個氣泡距離較近時，氣泡之間的超晶格會形成連續扭曲變形的網絡分布。對這些受到應變影響的摩爾結構的局部觀察，可以看到連續變化的三角疇分布，以及條帶狀的疇結構。
圖3. 單個氣泡操縱下摩爾網絡的連續演變行為。
作者利用AFM針尖可控地推動單個氣泡（圖3e），發現確定觀察區域摩爾網絡的疇面積占比和疇壁占比會發生依賴性的變化。氣泡移動過程中，氣泡附近應變導致該區域層間發生原子級重構進而形成新的摩爾網絡分布。且在這一系列調控過程中，會伴隨著單疇壁（SDW）和雙疇壁（DDW）之間的轉化。
圖4. 通過操縱多個氣泡摩爾條紋結構的調控。
進一步地，作者通過推動多個氣泡形成圖案，可控地實現了受限的超晶格分布狀態。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02548
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