上海微系統所成功制備小扭轉角度雙層石墨烯

  

  近年隨著扭轉角在魔角範圍(~1.1°)的雙層石墨烯中新奇量子現象的發現,扭轉雙層石墨烯的研究受到越來越多的關注。因此,催生了一個新的研究領域—twistronics。常規雙層石墨烯是通過AB堆垛形成的穩定結構,而對于扭轉雙層石墨烯,其表面會展現出摩爾條紋超晶格,並且該超晶格周期與雙層石墨烯能帶結構會隨著扭轉角度的變化而改變。目前的實驗室小扭轉角雙層石墨烯多是通過微機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角雙層石墨烯是當前需要解決的重要課題。 

  近日,中國科學院上海微系统与信息技术研究所王浩敏研究员课题组与清华大学李群仰教授团队合作首次报道了在六角氮化硼(h-BN)表面通過化學氣相沈積法制備具有不同扭轉角的雙層石墨烯研究工作,並發現小扭轉角雙層石墨烯的局域原子重構對其垂直電導的影響。相關研究成果“Abnormal conductivity in low-angle twisted bilayer graphene”于11月20日在線發表于著名期刊《科學進展》上(Science Advances, 6, eabc5555, 2020) 

  上海微系統所課題組提出了通過非平衡化學氣相沈積法在h-BN表面制備不同扭轉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,之後在其表面進行石墨烯單晶疇生長,最終實現了h-BN表面具有不同扭轉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電原子力顯微鏡(C-AFM)測量對比了不同扭轉角度雙層石墨烯垂直電導情況,發現了小扭轉角雙層石墨烯中垂直電導的反常角度依賴性。隨後與高磊副教授課題組合作,借助原子級界面接觸質量模型、密度泛函理論計算和掃描隧道顯微鏡的高分辨表征,進一步揭示了小扭轉角下的反常電導行爲源于雙層石墨烯的局部原子重構導致的平均載流子濃度的降低。該發現首次揭示了範德華材料中原子級重構對垂直電導率的貢獻,爲理解小扭轉角範德華材料獨特的物理行爲提供了指導,也爲設計和優化二維材料的電學性能提供了新的思路。 

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

  論文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc5555 

  圖1、h-BN表面扭轉雙層石墨烯制備工藝示意圖 

  圖2、h-BN表面扭轉雙層石墨烯示意圖與C-AFM電流掃描圖像