二维材料在旋转或层间晶格失配时会产生新的摩尔周期，从而衍生出许多不同于单层和多层的新奇物理现象。例如，转角双层石墨烯中会产生非常规超导和关联电子行为，转角二维磁性材料中可以形成竞争磁基态。近年来，摩尔超晶格成为调控二维材料各类新奇物性的重要手段，是当今凝聚态物理中的重要研究方向之一。然而，摩尔超晶格的构型对于角度、应变场分布等参数非常敏感，要研究摩尔超晶格诱导的多种物性需要制备大量的不同样品。近年来摩尔超晶格领域的研究得到了快速的发展，同时也遇到了显著的挑战，如何在同一样品中实现摩尔超晶格的连续操控对于研究各种物理性质的演变也至关重要。
近日，北京理工大学黄元教授，王业亮教授，和徐晓龙教授等人在Nano Letters上发表了借助于移动二维异质结中的纳米气泡实现摩尔超晶格调控的研究工作。团队研究人员在转角单层-多层石墨烯中，发现气泡诱导的应变场对附近摩尔超晶格有着巨大的影响，借助AFM针尖动态连续地移动纳米气泡，实现了摩尔超晶格的精准调控，观察到了规则的三角形畴演变为具有单畴壁或双畴壁的长条形畴结构的过程。进一步地，通过移动多个纳米气泡还可以建立气泡之间应变场的耦合实现了摩尔超晶格的可控调控。
这种简单易行的摩尔条纹调控能力为实现多种堆垛结构的连续变化提供了一种新的技术手段，也将为研究转角二维体系中更多新颖物性带来更多的机会。相关成果以“Manipulation of moiré superlattice in twisted monolayer-multilayer graphene by moving nanobubbles”为题发表在顶级国际期刊Nano Letters上（doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02548），第一作者为物理学院硕士研究生丁鹏飞（2024年夏季毕业生），北京理工大学黄元教授，王业亮教授和徐晓龙教授为共同通讯作者，该工作得到了基金委、科技部和北京理工大学等项目的资助。
图1. 在转角单层-多层石墨烯上，实现摩尔超晶格的观察。
借助于c-AFM技术，作者在转角单层-多层石墨烯表面观察到摩尔超晶格网络，三角畴的差异来源于不同堆垛结构的电导不同。
图2. 不均匀应变场下的摩尔超晶格网络的连续分布。
作者发现在气泡附近，摩尔超晶格网络会发生相应的扭曲变形。当多个气泡距离较近时，气泡之间的超晶格会形成连续扭曲变形的网络分布。对这些受到应变影响的摩尔结构的局部观察，可以看到连续变化的三角畴分布，以及条带状的畴结构。
图3. 单个气泡操纵下摩尔网络的连续演变行为。
作者利用AFM针尖可控地推动单个气泡（图3e），发现确定观察区域摩尔网络的畴面积占比和畴壁占比会发生依赖性的变化。气泡移动过程中，气泡附近应变导致该区域层间发生原子级重构进而形成新的摩尔网络分布。且在这一系列调控过程中，会伴随着单畴壁（SDW）和双畴壁（DDW）之间的转化。
图4. 通过操纵多个气泡摩尔条纹结构的调控。
进一步地，作者通过推动多个气泡形成图案，可控地实现了受限的超晶格分布状态。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02548
附作者介绍：
黄元，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师。主要研究领域集中在二维材料的制备、表征、器件加工和物性测量/调控等方向。在Nature Physics、Nature Communications、Physical Review Letters、Nano Letters、ACS Nano等共计发表SCI论文140余篇，其中第一作者（含共一）及通讯作者文章60余篇，论文总引用7500余次。主持国家重点研发计划（青年项目），主持国家基金委优秀青年基金和面上项目，重庆市杰出青年基金项目。2019年入选中科院青促会会员，2020年获中国科协“中国十大科技新锐人物”荣誉称号，2021年获中国发明协会发明创业奖创新奖二等奖(排名第一)，2022年获中国发明协会创业奖成果奖二等奖（排名第二）。担任Physical Review Letters，Nature Communications, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Nano Letters，《物理学报》等国内外知名期刊审稿人；担任《InfoScience》副主编，《物理》《InfoMat》《Materials》期刊青年编委。
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