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双层转角石墨烯体系研究进展
发布时间:2021-12-24     浏览次数:

——通过调控石墨烯层间间距的亚埃级振荡调控其电学性质

 

       二维层状材料具有原子层级的厚度、极低的载流子浓度等特点。这些特点使其对转角、填充、介电环境、应力等极其敏感。因此,我们可以在一个前所未有的、宽广的多参数空间对其新奇量子物态进行精细调控。近年来二维材料体系的研究引起了广泛关注,已经开展的工作中对二维材料体系物性的调控主要通过转角、填充等实现,并取得了巨大的成功。例如在魔角双层石墨烯体系里调控平带的填充实现了关联绝缘态、超导态、铁磁态、量子反常霍尔态等一系列新奇的量子物态。之前的工作中,对选定的二维材料,层间耦合强度通常被认为是一个常数,没有引起足够的重视。
       实际上,二维层状材料由于较弱的层间范德华作用,很容易调控其层间间距,从而调控其耦合强度。例如在双层石墨烯中,层间耦合强度格外敏感地依赖于层间间距,层间间距在平衡距离附近变化0.1 Å会导致层间耦合强度变化~100 meV。因此对层间间距亚埃级尺度上的调控就可以极大地调控双层石墨烯的性质。正是基于这一考虑,何林课题组发展了利用扫描隧道显微镜(STM)局部调控双层转角石墨烯层间间距的方法,他们利用STM针尖在上层石墨烯施加局域应力,实现了对双层石墨烯耦合强度的调控。在双层转角石墨烯中,范霍夫峰能量间距与层间耦合强度线性相关,而层间耦合强度在平衡距离附近近似指数依赖于层间间距。因此,通过扫描隧道谱测量范霍夫峰能量间距可以得到亚埃级精度的层间间距信息。基于这一测量,何林课题组意外地发现上层石墨烯表现出亚埃级、超低频率振荡,振荡周期可以长达500-1000秒。他们通过系统的对比实验,指出STM针尖产生的局域应力可对石墨烯振荡频率产生巨大影响,在这一原子层厚薄膜中引起超低频率振荡。这一超低频率振荡在亚埃级尺度上改变了双层石墨烯层间间距,产生的等效压强相当于10 GPa。因此,该工作不仅提出了调控并探测双层转角石墨烯体系层间间距的新方法,而且为实现二维材料层间超大的动态压强提供了新思路。相关成果近日刊发于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。何林教授课题组硕士生赵亚新为第一作者,博士生周啸峰、张钰博士(现为北京理工大学副教授)为文章的共同第一作者,何林教授为通讯作者。
       上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划、国家级人才计划以及北京师范大学经费的支持。


图1 利用STM在亚埃级尺度上调控并探测双层转角石墨烯的层间间距,观察到层间耦合强度(低能量范霍夫峰间距)低频振荡行为。

 

详情信息:Y.-X. Zhao, X.-F. Zhou, Y. Zhang, L. He*, "Oscillations of van Hove singularities spacing induced by sub-Angstrom fluctuations of interlayer spacing in graphene superlattices". Phys. Rev. Lett. Vol: 127, 266801 (2021).