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)雙層石墨烯的研究愈發(fā)受到關(guān)注。因此，催生了新的研究領(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(duì)于扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯，其表面會(huì)展現(xiàn)出摩爾條紋超晶格，且該超晶格周期與雙層石墨烯能帶結(jié)構(gòu)會(huì)隨著扭轉(zhuǎn)角度的變化而改變。目前，實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的方法直接制備出小扭轉(zhuǎn)角雙層石墨烯是當(dāng)前需要解決的重要課題。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員王浩敏課題組與清華大學(xué)教授李群仰團(tuán)隊(duì)合作，首次報(bào)道了在六角氮化硼（h-BN）表面通過化學(xué)氣相沉積法制備出具有不同扭轉(zhuǎn)角的雙層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)小扭轉(zhuǎn)角雙層石墨烯的局域原子重構(gòu)對(duì)其垂直電導(dǎo)的影響。11月20日，相關(guān)研究成果以Abnormal conductivity in low-angle twisted bilayer graphene為題，在線發(fā)表在《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：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(zhǎng)，最終實(shí)現(xiàn)h-BN表面具有不同扭轉(zhuǎn)角度的雙層石墨烯制備。研究人員與李群仰團(tuán)隊(duì)合作，采用導(dǎo)電原子力顯微鏡（C-AFM）測(cè)量對(duì)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)小扭轉(zhuǎn)角雙層石墨烯中垂直電導(dǎo)的反常角度依賴性?？蒲腥藛T與北京科技大學(xué)副教授高磊課題組合作，借助原子級(jí)界面接觸質(zhì)量模型、密度泛函理論計(jì)算和掃描隧道顯微鏡的高分辨表征，進(jìn)一步揭示小扭轉(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。該研究首次揭示范德華材料中原子級(jí)重構(gòu)對(duì)垂直電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，為理解小扭轉(zhuǎn)角范德華材料獨(dú)特的物理行為提供了指導(dǎo)，并為設(shè)計(jì)和優(yōu)化二維材料的電學(xué)性能提供了新思路。

清華大學(xué)博士生張帥、宋愛生與上海微系統(tǒng)所博士陳令修為論文的共同第一作者，李群仰、王浩敏和高磊為論文通訊作者。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）和上海市科委基金的資助。

論文鏈接

圖1.h-BN表面扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯制備工藝示意圖

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