准晶双层石墨烯研究工作简单的介绍怎么写，准晶双层石墨烯研究工作简单的介绍

很多朋友对准晶双层石墨烯研究工作简单的介绍怎么写，准晶双层石墨烯研究工作简单的介绍不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

以石墨烯为代表的二维材料体系因其丰富的电学、光学、力学等特性和广阔的应用前景而备受研究者关注。通过堆叠不同的二维材料形成范德华异质结，可以进一步控制这些二维材料的性质，实现单一材料不具备的新性质。双层石墨烯可以看作是最简单的范德华“异质”结，通过两层石墨烯之间的扭转角可以实现能带调控和新颖的物理性质。

在扭曲角双层石墨烯体系中，目前大部分研究工作集中在具有长程周期性可公度结构的双层石墨烯上，而对大扭曲角形成的不可公度结构的研究很少涉及。

清华大学物理系周领导的研究团队选取以30扭曲角形成的准晶态双层石墨烯作为具有不可公度结构的典型代表进行研究，在电子结构中观察到了独特的镜像狄拉克锥，揭示了更具普适性的描述层间耦合的新机制。这一成果发表在最近的《美国科学院院报》 [1]中。本文的通讯作者是清华大学的周教授和香港中文大学的祝均一教授。第一作者是周课题组的。

本文简要介绍了准晶双层石墨烯的研究工作。

石墨烯的历史使命随着现代硅基半导体芯片的工艺技术逼近量子极限，提出了半个多世纪的摩尔定律正逐渐走向终结。当然，人类不会就此止步。人们一方面试图改进大规模集成电路中晶体管的基本架构，另一方面也在寻找一种性能更好的新材料，有望取代单晶硅。在这个目标下，一场以石墨烯为代表的二维材料革命正在悄然展开。

2004年，曼彻斯特大学的Geim和Novoselov通过经典的“胶带撕裂”方法，在二氧化硅衬底上成功制备了石墨烯样品，即原子厚度的单层石墨。这种具有六边形蜂窝结构的材料(图1)一经发现就表现出不同寻常的力学、热学和电学性质。

依靠其独特的狄拉克锥形线性能带结构，石墨烯具有超高的电子迁移率，是未来制造电子芯片最热门的候选材料之一，Geim和Novoselov获得了2010年诺贝尔物理学奖[3]。

图一。石墨烯更与众不同：堆叠和扭转角度。

随着石墨烯的诞生，这种具有层状结构的二维材料体系为物理学家和材料科学家探索新奇的状态和性质提供了广阔的天地。近十年来，大量独特的二维材料层出不穷，其中最具代表性的包括过渡金属二硫化物、黑磷、六方氮化硼和铋硒碲族等等。

这些材料几乎囊括了人类已知的所有主要固态，包括金属、半导体、普通绝缘体、拓扑绝缘体、超导体和电荷密度波等。与此同时，一些新的可以用电光控制的本征自由度，如过渡金属二硫化物单层膜中的能谷赝自旋，已经得到了发展。

虽然每个二维材料都有有趣的性质，但实验物理学家并不满足于此，正如凝聚态物理大师P. W. Anderson所说：多则不同，多则不同。在他们眼里，二维物质世界就是一个乐高王国，每一个二维物质就像一块积木。通过合理的组装和组合，他们可以探索和控制更奇妙的物理特性，建造更宏伟的城堡(图2)。

于是人们提出了构建所谓范德华异质结构的设想[4]，即通过堆叠不同类型的二维薄膜材料，利用层间的范德华力作为连接胶，形成一种特殊的异质结构。人们所期望的是异质结中的层间耦合能诱导出不同于异质结各组分独立存在时的性质。

在这一步，实验物理学家取得了非常重要的进展。比如单层石墨烯与单层六方氮化硼结合时，层间的相互作用会导致电子结构中出现所谓的第二组狄拉克点，这是单层石墨烯所不具备的性质[5，6]。

图二。一座城堡拼接二维物质世界。上图来自[4]

事实上，如果异质结的条件放宽，层间耦合的效果会更明显，石墨烯会再次充当我们的乐高积木(图3)。众所周知，大规模集成电路是由许多晶体管组成的，也就是可控的逻辑开关元件。虽然单层石墨烯在导电性上有很强的优势，但其无带隙的能带结构使得其无法轻易实现逻辑开关功能。

一种可能的解决方案是使用两层石墨烯来堆叠两层石墨烯。双层石墨烯本身就是一种没有能隙的导体。但一旦施加外电场，能隙将被有效打开[7]，从而隔离电子的传导，实现原型逻辑开关。由此可见，即使在最简单的双层石墨烯“异质”结中，也有很大的可能性实现未来的电子芯片。

图3。范德瓦尔斯异质结：二维材料的堆叠。

那么还能有更多的变化和不同吗？答案是肯定的。一个看似简单但并不平庸的想法是，让异质结中的两层二维材料相互旋转，形成一定的扭转角(图4)。让我们回到双层石墨烯这个简单而神奇的例子。双层石墨烯一般是指两层石墨烯晶轴重叠形成的AB堆叠或AA堆叠，其中AB堆叠可以产生前述的能隙。

当我们引入旋转角这个附加自由度时，无论是晶格结构还是电子结构都会有更丰富的变化。首先从晶体结构来说，当两层石墨烯扭曲时，其结构会分为可公度性和不可公度性。在可公度结构中(通常是小扭转角)，双层石墨烯会形成所谓的莫尔条纹，整个石墨烯仍然具有长程周期性。

从电子结构来看，预测在一些常见的具有特殊扭曲角(称为“魔角”)的双层扭曲角石墨烯中，系统的能带中会出现一些平带结构，即没有色散的能带。实验中证明了具有“魔角”的扭角双层石墨烯具有Mott绝缘体相的基态[8]，并且在适当的电子掺杂后可以进一步超导[9]。

在这样的纯碳系中，电子之间存在着很强的相关性，这无疑让凝聚态物理领域的所有工作者感到惊喜和兴奋，也充分显示了双层石墨烯体系的无限潜力。与可公度结构不同的是，在非可公度结构中(通常在大扭转角下)，这种长程周期性将不复存在，甚至在一些特殊的扭转角下会形成“准晶体”条纹，很难用传统的固体物理理论来描述。

图4。新自由度：扭转角度

在过去很长一段时间里，关于扭曲角双层石墨烯的理论和实验工作主要集中在容易在小角度范围内形成叠合结构的双层石墨烯上。然而，对于具有不可公度结构的扭曲角双层石墨烯的研究却极为少见。一方面，自然形成的无公度双层石墨烯很少。另一方面，一般认为在扭曲角较大的情况下，扭曲角双层石墨烯的层间耦合会急剧减弱，从而缺乏有趣的物理。

最近《美国科学院院报》报道了清华大学周研究组的成果，他们成功制备了30度扭曲双层石墨烯，并给出了这种结构中由能带耦合引起的新颖的狄拉克锥及相关物理机制[1]。

准晶双层石墨烯中的镜像狄拉克锥

对于范德华异质结，与晶格匹配密切相关的摩尔周期势的形成对层间相互作用有很大影响。如果存在摩尔周期势，层间耦合会由于相位相干而增强，反之亦然。在扭曲角双层石墨烯中，扭曲角是决定能否形成摩尔周期势的唯一因素。

根据数学计算，在一个60度的扭曲周期内，能够形成晶格匹配从而产生摩尔周期势的扭曲角主要集中在0或等效的60度扭曲角附近(图5左图)，而在30度扭曲角附近几乎没有角度能够形成摩尔周期势，特别是30这个特殊的度数。在这种扭曲角度下，双层石墨烯显示出一种12重对称的准晶条纹(如图5所示)

图5。左：可公度性或不可公度性结构与扭转角的对应关系；右图：双层石墨烯中30扭曲角的准晶条纹。

传统上认为非全等扭曲双层石墨烯的能带结构只是两个单层石墨烯能带结构的简单叠加，就像1 ^ 1=2一样。但研究人员发现事实并非如此，1 12。周研究组首次在金属Pt(111)衬底上成功生长了一种30度扭曲双层石墨烯，并利用角分辨光电子能谱(ARPES)实验技术直接测量了该体系的清晰能带结构。

他们发现，除了来自两个石墨烯层的线性能带，即狄拉克锥，在石墨烯的布里渊区还出现了一系列额外的狄拉克锥。它们与原来的狄拉克锥形成镜像对称，它们的对称镜像是不偏不倚的，恰好是另一个石墨烯层的布里渊区的边界(图6)。

这一结果表明，镜像狄拉克锥的出现不是偶然的，而是来自于30度扭曲双层石墨烯的本征电子结构，其中两层石墨烯之间的层间耦合起着重要作用。

图6。30扭曲角双层石墨烯中镜像狄拉克锥的产生机制。

研究人员进一步分析了镜像狄拉克锥出现的机制。他们发现，如果与镜像狄拉克锥对偶的原狄拉克锥在K点，那么镜像狄拉克锥实际上被另一个原狄拉克锥在K '点散射，与K点的动量相反(图6)。这个散射动量只是底层石墨烯的一个反转晶格矢量(G30)，也就是说顶层石墨烯中的电子感受到了底层石墨烯晶格场的作用。

在这项研究的拉曼光谱分析中，研究人员观察到的双共振拉曼模式也有力地支持了这一机制。

下面的魔镜层是基于什么一般的物理定律来叠加上面石墨烯的两个电子态K和K’，本来是不能叠加的？来自香港中文大学物理系的理论和计算团队对这种自然发生的魔镜结构进行了详细的分析和计算研究。他们推导出普适条件，即上层石墨烯的两个波矢可以被下面的镜面层散射，叠加条件是上层的两个波矢之差恰好等于上下两层的反晶格矢量之差。

这个规律不仅适用于石墨烯，也适用于任何二维材料堆。也正是在这种机制的作用下，石墨烯层与铂基底产生了足够的p-d轨道耦合，从而在晶体生长中自然产生了镜面石墨烯。这种机制与人工堆叠产生的小角度石墨烯的耦合机制完全不同。

我们可以把单层石墨烯的K点和K '点的两种电子态想象成灿星和尚星，在这个小小的石墨烯世界里永不相遇。然后，奇迹出现了。一个与这个石墨烯世界成30度角的“角落宇宙”就像一面魔镜，让两颗从未见过的星星重叠在一起，在魔镜的散射下闪闪发光。

在某种诗意的幻想中，在我们的世界之外，可能还有这样一个角落世界。虽然我们似乎感觉不到它的存在，但只要满足这个散射条件，它就能产生奇迹，让永远无法相遇的电子态相遇，我们的世界也是魔镜世界的镜子。

准晶石墨烯的实验实现为镜像狄拉克锥提供了重要载体。这一机理及其背后的实验结果摒弃了以往异质结研究中对摩尔周期势的依赖，为描述异质结层间的相互作用提供了新的观点。另一方面，研究成果以30度扭曲双层石墨烯为简单模型，利用其发现的“魔镜”效应，可以为未来范德华异质结中调控越来越复杂的电子结构开辟新的途径。

以上知识分享希望能够帮助到大家！