(纯计算)中国科学技术大学杨金龙/胡伟团队Nano Lett.: 转角双层石墨烯上的量子转角扫描探针显微镜

2024年4月2日，Nano Lett.在线发表了中国科学技术大学杨金龙院士和胡伟研究员课题组的研究论文，题目为《Proposed Quantum Twisting Scanning Probe Microscope over Twisted Bilayer Graphene》，论文的第一作者为Yifan Ke和Lingyun Wan。

随着非常规超导和量子反常霍尔（QAH）效应等新物理现象的发现，魔角转角双层石墨烯（MATBG）引发了转角电子学领域的热潮。由于其独特的低能平带结构和强关联电子，TBG促进了量子模拟和模型研究的发展。TBG具有可调的平带和以三角晶格分布的局域态的天然优点。然而，这种态的应用仍然模糊不清。

在此研究中，利用转角双层石墨烯的独特性质，作者介绍了一种名为量子转角扫描探针显微镜（QTSPM）的开创性仪器。该仪器的关键元件是探针尖端，它利用了TBG莫尔条纹的AA堆垛区域中的局域态产生的强静电势（ESP）。通过p_z轨道紧束缚（TB）模型和密度泛函理论（DFT）计算，已经表明尖端的形状和半径可以通过几何修饰来控制，例如调整转角和层间距离。研究结果表明，最尖锐的尖端对应于压缩TBG中压缩能带和局域态的存在。QTSPM具有将缺电子分子（如AlCl₃、CCl₂和BH₃）吸引和吸附到AA区域，并将多电子分子（如H₂O、NH₃和SO₃）吸引到AB或BA区域的能力。

这些分子的V形和A形吸附能曲线证实了ESP表面的尖端行为，表明它们对尖端区域的有效吸引力。此外，研究还强调了QTSPM在尖端增强拉曼光谱中的潜在应用，这得益于其在热点处的强局域电磁场，并且具有无污染和无创的测量特性。QTSPM利用转角材料成为研究和操纵纳米体系的有力工具。它的广泛应用跨越了纳米科学和纳米技术的各个领域。这项研究结果表明，TBG尖端在扫描探针显微镜的无创和无污染测量中提供了应用，并为基于二维材料的探针提供了理论指导。

图1 (a) TB模型计算转角为3.89°、层间距离为3.35 Å时TBG的电子分布；(b) TB模型计算层间距离为3.35 Å时MATBG(1.05°)的电子分布；(c) 由p_z轨道TB模型描述的MATBG上方ESP等势面；(d) 模型压缩7.34°、4.41°和2.88° TBG的等势面；(e) 在压力7.34°、4.41°和2.88° TBG的压缩和驰豫等势面

图2 (a) 吸附能扫描过程示意图；(b-d) 压缩层间距离以形成局域态的平面TBGs的电子分布；(e-h) 吸附能Ead随分子位置(AlCl₃、CCl₂、NH₃和SO₃)的变化

图3 (a) 驰豫压缩2.88° TBG的层间距离分布；(b) 刚性压缩平面TBG在2.60、2.70、2.80 Å层间均匀距离分别为7.34°、4.41°、2.88°时的H₂O吸附；(c) 弛豫压缩TBG对H₂O的吸附；(d) 刚性和驰豫压缩2.88° TBG的能带结构；(e) 压缩后7.34° TBG的LDOS；(f) 压缩后7.34° TBG上一个H₂O吸附后的LDOS差异；(g) LDOS图的对角线部分

图4 QTSPM在TERS中的应用示意图

【论文链接】

Ke, Y., Wan, L., Qin, X. et al. Proposed Quantum Twisting Scanning Probe Microscope over Twisted Bilayer Graphene. Nano Lett, 2024. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00205

【其他相关文献】

[1] Xie, Y., Lian, B., Jäck, B. et al. Spectroscopic signatures of many-body correlations in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature, 2019, 572, 101–105. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1422-x

[2] Kerelsky, A., McGilly, L.J., Kennes, D.M. et al. Maximized electron interactions at the magic angle in twisted bilayer graphene. Nature, 2019, 572, 95–100. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1431-9