南京航空航天大学合作最新Nature

范德华组装使二维(2D)材料中的电子态设计成为可能，通常是通过使用莫尔超晶格在晶格上叠加长波周期势。这种扭转电子学方法已经导致了许多以前未描述过的物理现象，包括扭曲双层石墨烯中的强相关和超导性，共振激子，过渡金属硫系莫尔结构中的电荷有序等。

2023年7月19日，英国曼彻斯特大学Vladimir I. Fal’ko、 Artem Mishchenko及南京航空航天大学殷俊共同通讯在Nature 在线发表题为“Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite”的研究论文，该研究表明三维(3D)晶体(如石墨)中的电子态可以通过与另一晶体(即晶体学上排列的六方氮化硼)界面上发生的超晶格势来调节。

这种排列导致了几个利夫希茨跃迁和近表面状态引起的布朗-扎克振荡，然而，在高磁场中，霍夫斯塔特蝴蝶的分形状态深入到石墨的大块中。该研究展示了一种方法，其中3D光谱可以使用二维涡旋电子学的方法来控制。

在晶体的表面，它的周期晶格被中断，表面状态随着波函数指数衰减进入晶体的主体而出现。例如，半导体中的表面电荷积累会导致不同的二维子带，可通过静电门控进行调节。相比之下，在金属中，由于体积分流表面导电性，高载流子密度使得观察和控制表面状态变得困难。介于这两个极端之间的是半金属，如铋和石墨，它们具有可调的表面状态，这很有趣，但仍未得到充分的探索。由于石墨薄膜在电掺杂和外部磁场B的控制下同时表现出3D和2D电子特性，因此人们对其感兴趣。值得注意的是，有限厚度的石墨表现出不寻常的2.5D量子霍尔效应(QHE)。

该研究通过对准两种块状晶体，六方石墨和六方氮化硼(hBN)，探索了高度可调谐电子态的摩尔工程。为此，作者通过在hBN衬底上排列薄石墨薄膜(约5-10 nm厚)并封装另一种hBN晶体来制备hBN/石墨/ hBN异质结构。除非另有说明，否则后一种封装的hBN是故意不对齐的(详见方法，“器件制造”)。由于hBN和石墨的晶格常数接近，在异质堆中，它们形成了一个莫尔超晶格，其周期性由晶格失配控制，δ = 1.8%，失配角θ。除了提供莫尔超晶格外，hBN封装还保留了石墨薄膜的高电子质量。在这些器件中，顶部和底部静电栅分别用于控制hBN/石墨/hBN异质结构的顶部和底部界面的载流子密度nt和nb。

石墨-hbN界面上的莫尔超晶格（图源自Nature ）

总之，该研究已经证明石墨(以及潜在的其他半金属和掺杂半导体)的表面状态可以被莫尔超晶格势强烈地修饰。hBN和石墨之间的排列提供了一个万花筒，LTs发展成布朗-扎克振荡和霍夫施塔特表面态。值得注意的是，高磁场下的莫尔表面态也会影响这些石墨薄膜的整个电子谱，这导致了分形霍夫施塔特蝴蝶，可以称为2.5D，类似于石墨中的2.5D QHE。因此，该方法提供了一种可能性，可以探索由于表面超晶格将其影响深入到3D电子系统的大部分而产生的混合维度效应。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06264-5

转自：“iNature”微信公众号

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