在可扭转电子器件中打破（和恢复）石墨烯的对称性

石墨烯层上下的氮化硼（BN）层受控旋转示意图，引入了共存的摩尔超晶格，其大小、对称性和复杂性随角度的变化而变化。在这个系统中，哥伦比亚大学的研究人员通过机械旋转石墨烯顶部的氮化硼，使其与底部的氮化硼板对齐，从而在单个设备中实现了对单层石墨烯带状结构前所未有的控制。

纽约州纽约市–2019年11月21日–来自詹姆斯-霍恩（James Hone）（机械工程）和科里-迪恩（Cory Dean）（物理学）实验室的最新研究展示了一种新方法，只需调整二维（2D）材料之间的扭曲角度，就能调整它们的特性。研究人员构建了由封装在两块氮化硼晶体之间的单层石墨烯组成的装置，通过调整各层之间的相对扭转角度，他们能够创造出多种摩尔纹图案。

凝聚态物理学家和材料科学家对摩尔纹图案非常感兴趣，他们利用摩尔纹图案来改变或产生新的电子材料特性。这些图案可以通过氮化硼（BN，一种绝缘体）和石墨烯（一种半金属）晶体的排列而形成。当这些蜂窝状原子晶格接近对齐时，就会产生摩尔纹超格，这是一种纳米级干涉图案，看起来也像蜂窝。这种摩尔纹超格改变了石墨烯中导电电子的量子力学环境，因此可用于对石墨烯电子特性的显著变化进行编程。

迄今为止，有关石墨烯-BN 系统中摩尔纹超格效应的大多数研究都是针对单一界面（考虑石墨烯的顶面或底面，而不是两者）。然而，Hone 和 Dean 去年发表的一项研究表明，在单个设备中对两个界面中的一个进行完全旋转控制是可能的。

通过设计一种在一个界面上具有持久对准性，而在另一个界面上具有可调对准性的设备，哥伦比亚大学的研究小组现在已经能够研究石墨烯层上多重摩尔超晶格势的影响。

“我们决定在一个纳米机械装置中同时研究石墨烯的顶面和底面，”Hone 实验室的博士生、该论文的共同第一作者 Nathan Finney 说，该论文于 9 月 30 日在线发表于《自然-纳米技术》，现已成为 11 月印刷版的封面故事。”我们有一种预感，通过这样做，我们将有可能利用上下界面共存的摩尔超晶格将摩尔超晶格的强度提高一倍”。

研究小组发现，扭转各层的角度使他们既能控制摩尔超晶格的强度，又能控制其整体对称性，这是从观察到的石墨烯电子特性的显著变化中推断出来的。

在角度接近对齐时，石墨烯的带状结构发生了很大的变化，可以通过形成共存的非重叠长波长摩尔纹观察到。在完全对齐的情况下，石墨烯的电子间隙要么被强烈增强，要么被抑制，这取决于顶部可旋转 BN 是扭曲 0 度还是 60 度。电子间隙的这些变化与两种对齐配置对称性的预期变化相对应–0 度时反转对称性被破坏，60 度时反转对称性恢复。

“芬尼指出：”这是第一次有人在一个设备中看到共存的摩尔超晶格的完全旋转依赖性。”这种对摩尔超晶格对称性和强度的控制程度可以普遍应用于我们现有的所有二维材料。这项技术能够开发出应用于天文学、医学、搜索和救援等领域的纳米机电传感器。

研究人员目前正在完善扭曲各种二维材料单层的能力，以研究缺乏反转对称性的系统中的超导性、拓扑诱导铁磁性和非线性光学响应等奇异效应。

Tunable crystal symmetry in graphene–boron nitride heterostructures with coexisting moiré superlattices

https://doi.org/10.1038/s41565-019-0547-2

哥伦比亚工程学院

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