中科院物理所/中国科学院大学/清华大学Phys. Rev. Lett.: 转角双层石墨烯/h-BN的准周期莫尔重构和电子性质调制

2024年11月6日，Phys. Rev. Lett.在线发表了中科院物理所高鸿钧院士、中国科学院大学毛金海研究员、姜宇航副教授和清华大学Aisheng Song课题组的研究论文，题目为《Quasiperiodic Moiré Reconstruction and Modulation of Electronic Properties in Twisted Bilayer Graphene Aligned with Hexagonal Boron Nitride》，论文的第一作者为Si-yu Li、Zhiyue Xu和Yingbo Wang。

由转角二维（2D）材料组成的莫尔异质结在实现新型量子态方面具有巨大的潜力，如非常规超导性、关联绝缘体和（分数）Chern绝缘体。当堆叠三层或更多层时，莫尔条纹会相互干扰，产生新的超结构，并深刻地调节异质结的形貌和电子性质。一个著名的例子是转角多层石墨烯，其中观察到了“莫尔条纹”和比魔角转角双层石墨烯（MATBG）更鲁棒的超导性。

除了石墨烯-石墨烯（G-G）界面外，莫尔条纹还可以起源于石墨烯-六方氮化硼（G-h-BN）界面。在与h-BN对齐的转角双层石墨烯（TBG/h-BN）中，已经报道了（量子化）反常霍尔效应、电荷密度波（CDW）和分数Chern绝缘体。TBG/h-BN中的两组莫尔条纹在波长相似时具有很强的耦合和显著的结构重构。然而，对莫尔条纹重构（MPR）及其对能带结构确切影响的深入微观研究仍然不足，这对于理解TBG/h-BN中的新量子态至关重要，并将有助于为探索强关联和拓扑物理学建立一个有价值的平台。

在此研究中，作者提出了具有两个相似莫尔波长的TBG/h-BN中的准周期MPR，其中MPR是由G-G和G-h-BN莫尔条纹波长之间的非公度失配引起的。短程、近乎有序的莫尔超结构偏离了莫尔准晶，并伴随着非均匀应变，从而在魔角附近的TBG能带结构中的范霍夫奇点（VHs）之间引发了空间可变的能量分离。通过调整样品中的载流子密度，观察到特定AA位点的关联能隙，揭示了TBG中AA位点的量子点样行为和非相干特性。这项研究发现将为TBG/h-BN中新型量子相的微观机制提供了新的线索。

图1 (a) TBG/h-BN莫尔异质结的示意图；(b) TBG/h-BN器件(V_b=−1 V, I=60 pA)的大尺度STM形貌；(c) 图(b)的近景形貌，显示了两组莫尔条纹；(d-e) 插图中显示布拉格峰的四分之一逆FFT图像；(f) 图(b)所示形貌中减去图(d)所示G-G莫尔条纹得到畸变G-h-BN莫尔条纹

图2 (a) 显示莫尔超晶格的模拟形貌；(b) 图(c)的FFT；(c) 图1(b)中通过减去背景波动得到的形貌自关联图；(d) 沿图(c)中黑色箭头的线轮廓，显示了从λ到2λ (λ~15 nm)的周期性转变

图3 (a) 两组莫尔条纹之间非公度重叠的刚性模型；(b) TBG/h-BN中AAA/AAB位点和TBG中AA位点的原子构型；(c) 用分子动力学模拟图(a)中非公度模型的结果；(d) STM形貌图，具有与图(c)相似的结构；(e) 计算出高对称位点的局域应变ε

图4 (a) 小尺度STM形貌图；(b) 栅极电压V_g=0 V (V_b=−60 mV, I=100 pA)时两个AA位点的dI/dV光谱；(c-d) 由于在倒易空间中的旋转，在TBG中出现范霍夫奇点的说明；(e-f) 在图(e)和(f)中标记的AA位点，dI/dV演变的颜色轮廓随背栅电压(V_g)的变化

论文链接

Li, S., Xu, Z., Wang, Y. et al. Quasiperiodic Moiré Reconstruction and Modulation of Electronic Properties in Twisted Bilayer Graphene Aligned with Hexagonal Boron Nitride. Phys. Rev. Lett., 2024, 133, 196401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.196401

其他相关文献

[1] Xue, J., Sanchez-Yamagishi, J., Bulmash, D. et al. Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride. Nat. Mater., 2011, 10, 282–285. https://doi.org/10.1038/nmat2968

[2] Wang, E., Lu, X., Ding, S. et al. Gaps induced by inversion symmetry breaking and second-generation Dirac cones in graphene/hexagonal boron nitride. Nat. Phys., 2016, 12, 1111–1115. https://doi.org/10.1038/nphys3856