石墨烯带推进双电子学 – 物理世界

石墨烯带（而不是正方形）可以成为更好的平台，用于探测因扭曲和应变相邻的二维（2D）材料层而产生的不寻常的电子效应。 这是美国、丹麦、法国和日本科学家的发现，他们的方法与之前的“双旋电子学”研究有很大不同，之前的“双旋电子学”研究侧重于相互扭转两片材料，然后将它们堆叠起来。 该团队表示，基于带状的新技术可以让研究人员更好地控制扭转角度，从而使电子效应更容易研究。

近年来，研究人员发现，他们可以通过将这些材料层彼此堆叠并改变它们之间的角度来改变二维材料的电子特性。 例如，双层石墨烯通常不具有带隙，但当与另一种二维材料六方氮化硼 (hBN) 接触时，它会产生带隙。

发生这种变化是因为六方氮化硼的晶格常数（衡量其原子排列方式的指标）与石墨烯的晶格常数几乎相同，但又不完全相同。 石墨烯和六方氮化硼的稍微不匹配的层形成了一个更大的结构，称为莫尔超晶格，并且该超晶格中附近原子之间的相互作用允许形成带隙。 如果层随后被扭曲，使得它们进一步错位并且它们之间的角度变大，则带隙消失。 同样，石墨烯本身可以根据各个石墨烯层之间的角度从半金属调整为半导体甚至超导。

为了在传统材料中实现多种电子特性，科学家通常需要通过引入掺杂剂或有意的杂质来改变其化学成分。 因此，能够通过简单地改变层之间的扭转角来在 2D 材料中实现这一点，是器件工程的一个全新方向，被称为“双电子学”。

问题在于扭转角和相关应变难以控制，这意味着样品的不同区域可能具有不同的电子特性，这会带来不便。 在最新的工作中，由 科里·迪恩（Cory Dean） of 哥伦比亚大学 美国的一家公司克服了这个问题，他们将带状石墨烯层（而不是通常情况下的方形薄片）放置在六方氮化硼层的顶部，并使用压原子力显微镜缓慢弯曲带状的一端。 由此产生的结构具有从带材开始弯曲的点一直到其末端连续变化的扭转角。 现在，样品不再具有不受控制的应变变化，而是具有均匀的应变分布，可以通过弯曲带的边界形状完全预测。

保持角度和应变梯度

在他们的实验中，详细说明 科学迪恩和同事将其中一层石墨烯弯曲成类似半圆拱形的形状。 然后他们将这一层放置在第二层未弯曲的顶部。 “当以这种方式放置在一起时，我们有意沿弧引入角度梯度，并在弧上引入应变梯度，”迪恩解释道。 “我们发现，组合的两层不会允许局部扭转角或应变的随机波动，而是保持了我们在弯曲过程中赋予的角度和应变梯度。”

然而，弯曲石墨烯带并不容易。 研究人员首先使用基于原子力显微镜（AFM）的工艺从一块较大的石墨烯上切下一条丝带。 接下来，他们用多层大块石墨制造了一个单独的“滑块”，该石墨由一个圆盘组成，外缘上有手柄。 然后将该滑块定位到色带的一端，并使用 AFM 尖端的末端将其推过色带。 “滑块可以通过 AFM 尖端控制，并在色带弯曲成形后将其移除，”Dean 解释道。

该工艺的一个关键特征是，当石墨烯带放置在六方氮化硼上时，其界面摩擦相对较低，这意味着它可以在负载下弯曲，但又足够高，可以在释放负载时使带保持其弯曲形状。

色带弯曲的程度取决于色带的长度和宽度以及 AFM 尖端向色带末端施加的力大小。 研究人员发现，长而窄的带材（即具有大纵横比的带材）最容易以受控方式弯曲。

“前所未有地获得扭曲角相图”

迪恩告诉我们，能够连续调整应变和扭转角将使研究人员能够前所未有地获得扭转角的“相图” 物理世界。 “扭曲双层的电子能带结构对扭曲角极其敏感，例如，‘魔角’仅定义为 1.1° 的十分之一度。 缓慢且可控的扭曲意味着我们可以将单个设备中的这种依赖性映射到以前不可能实现的精度。”

使石墨烯纳米带稳定

这还不是全部：由于应变对魔角双层石墨烯系统的作用在实验上几乎完全未知，这项新技术提供了第一个以可重复的方式测量它的机会。 “从技术上讲，引入应变梯度有助于抑制随机扭转角变化的想法对我们来说是一个意想不到的惊喜，”迪恩说。 “这开启了关于如何相互作用应变工程和空间控制角度变化的有趣想法，以进一步控制扭曲层系统中的电子能带结构。”

哥伦比亚团队目前正在结合传输和扫描探针光谱绘制扭曲双层石墨烯魔角范围内的应变角相图。 研究人员还在探索是否可以将该技术应用于其他二维材料系统。 例如，在半导体中，弯曲可以引导和集中激子（电子空穴对），而在磁性二维系统中，它可以用来创建不寻常的磁性纹理。 “最后，我们正在探索通过静电或其他非机械手段实现弯曲的方法，”迪恩透露。 “这些可以允许对双层系统中的扭转角进行原位动态控制。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/graphene-ribbons-advance-twistronics/