科技进展

上海微系统所成功制备小扭转角度双层石墨烯

  

  近年随着扭转角在魔角范围(~1.1°)的双层石墨烯中新奇量子现象的发现,扭转双层石墨烯的研究受到越来越多的关注。因此,催生了一个新的研究领域—twistronics。常规双层石墨烯是通过AB堆垛形成的稳定结构,而对于扭转双层石墨烯,其表面会展现出摩尔条纹超晶格,并且该超晶格周期与双层石墨烯能带结构会随着扭转角度的变化而改变。目前的实验室小扭转角双层石墨烯多是通过微机械剥离法与手工堆垛方法制备,如何通过生长的方法直接制备小扭转角双层石墨烯是当前需要解决的重要课题。 

  近日,中国科学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)表面通过化学气相沉积法制备具有不同扭转角的双层石墨烯研究工作,并发现小扭转角双层石墨烯的局域原子重构对其垂直电导的影响。相关研究成果“Abnormal conductivity in low-angle twisted bilayer graphene”于11月20日在线发表于著名期刊《科学进展》上(Science Advances, 6, eabc5555, 2020) 

  上海微系统所课题组提出了通过非平衡化学气相沉积法在h-BN表面制备不同扭转角度双层石墨烯的新方法:通过在h-BN表面首先制备单层多晶石墨烯薄膜,之后在其表面进行石墨烯单晶畴生长,最终实现了h-BN表面具有不同扭转角度的双层石墨烯制备。通过与李群仰教授课题组合作采用导电原子力显微镜(C-AFM)测量对比了不同扭转角度双层石墨烯垂直电导情况,发现了小扭转角双层石墨烯中垂直电导的反常角度依赖性。随后与高磊副教授课题组合作,借助原子级界面接触质量模型、密度泛函理论计算和扫描隧道显微镜的高分辨表征,进一步揭示了小扭转角下的反常电导行为源于双层石墨烯的局部原子重构导致的平均载流子浓度的降低。该发现首次揭示了范德华材料中原子级重构对垂直电导率的贡献,为理解小扭转角范德华材料独特的物理行为提供了指导,也为设计和优化二维材料的电学性能提供了新的思路。 

  该研究工作共同第一作者为清华大学博士生张帅、宋爱生与上海微系统所陈令修博士,通讯作者为清华大学李群仰教授、上海微系统所王浩敏研究员和北京科技大学高磊副教授。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中科院先导B类计划和上海市科委基金的资助。 

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

  图1、h-BN表面扭转双层石墨烯制备工艺示意图 

  图2、h-BN表面扭转双层石墨烯示意图与C-AFM电流扫描图像