清華大學Nat. Mater：扭曲單層-多層石墨烯中的多米諾式堆疊順序轉換

一、【導讀】

具有小扭曲角的多層石墨烯的特殊物理性質引起了越來越多的關注。多層石墨烯中微小的旋轉失調將產生比石墨烯固有晶格常數更長周期的莫爾超晶格結構。對于這種長周期的莫爾超晶格結構，層間相互作用能和面內彈性能之間的相互作用可以導致原子重構。近期實驗表明，重構可以顯著地改變扭曲石墨烯的電子結構，導致二次狄拉克帶的出現以及其他有趣的行為。原子級重構廣泛應用于小扭曲角二維范德華結構。這種不尋常行為，會產生許多新奇的物理現象，包括強電子關聯、自發鐵磁性和拓撲保護態。然而，原子級重構，通常自發地發生，僅表現出單一的穩定狀態。

二、【成果掠影】

近日，清華大學李群仰教授、馮西橋教授與馬天寶副教授合作，首次報道利用導電原子力顯微鏡觀察小角度扭轉單-多層石墨烯中同時存在兩種亞穩重構狀態，并發展了一套通過施加力學擾動實現兩種重構狀態之間可逆轉變的堆垛操控策略。研究證明了，這兩個重構狀態可以可逆地切換，并且切換可以以一種不尋常的多米諾骨牌方式自發傳播。借助晶格分辨的導電原子力顯微鏡成像和原子模擬，確定了應變孤子網絡的詳細結構，并將相關傳播拓展機制，歸因于孤子之間的強機械耦合。這種雙穩態的精細結構，對于理解微小扭曲的范德瓦爾斯結構獨特性質，是至關重要的，而其開關機制為調控其堆疊態提供了一種可行的方法。研究成果以題為“Domino-like stacking order switching in twisted monolayer-multilayer graphene”發表在知名期刊Nature Materials上。

三、【核心創新點】

√ 研究者證明了這兩個重建態能可逆地轉換，并且這種轉換能以一種獨特的多米諾骨牌式的方式自發傳播。借助晶格分辨導電原子力顯微鏡成像和原子模擬，研究者確定了應變孤子網絡的詳細結構，并將其傳播機制歸因于孤子之間的強機械耦合。

√ 雙穩態的精細結構對于理解具有微小扭曲的范德華結構的獨特性質是至關重要的，而開關機制為操縱其堆積態提供了一種可行的手段。

四、【數據概覽】

圖1 可逆的堆疊順序在扭曲的單層-多層石墨烯中切換 ? 2022 Springer Nature

（a）c-AFM裝置示意圖，導電尖端掃描沉積在伯納爾堆積的低扭轉角多層石墨烯（ML）上的單層（1L）石墨烯。

（b）典型樣品的堆疊順序切換示意圖。

（c）在不同的正常載荷下切換的成功率。

（d）正常負載為35.4 nN時，狀態O切換到狀態ō和狀態ō切換到狀態O的成功率。

（e）在重復切換過程中獲得的一系列電流圖像。

圖2 堆疊順序切換的可能路徑分析?? 2022 Springer Nature

（a-b）狀態O和狀態ō的典型電流圖像。

（c）根據（b）中的電流圖像計算得出的ABA垛（B'）結構域、ABC垛（R'）域、DW-A、DW-B和DW-C（狀態ō）的歸一化電導率。

（d）狀態O具有簡單剪切孤子網絡（左）和狀態ō具有三種不同應變狀態:剪切-壓縮、剪切-拉伸和增強剪切（右）。

（e）最高石墨烯層的可能的滑動方向（由黑色箭頭標記），以實現從ABA堆疊到ABC堆疊以及從ABC堆疊到ABA堆疊的堆疊順序。

（f）四種類型孤子結構的原子構型示意圖：剪切、剪切和壓縮、剪切和拉伸以及增強剪切。

圖3?MD模擬和基于DFT的ACQ模型計算?? 2022 Springer Nature

（a）扭曲的單層雙層石墨烯系統組成的MD模擬模型的側視圖。

（b）基于MD模擬，將原子結構從O態線性插值到ō態時，總能量的變化。

（c）從基于DFT的ACQ模型計算中獲得的ABA堆疊和ABC堆疊域的平均電導率以及四種類型的DW（即增強型剪切、剪切-拉伸、剪切-壓縮和剪切）。

（d）使用ACQ模型計算狀態O和狀態ō的電導率圖。

圖4 堆疊順序切換的開關和拓展?? 2022 Springer Nature

（a）圖中顯示了檢驗堆疊順序交換傳播過程的實驗過程。

（b）在堆疊順序切換之前獲得的大規模電流圖像。

（c）區域i的堆疊順序切換前后的電流圖像。

（d）（b）區域中切換后得到的大規模電流圖像。

（e）用一個額外的閉環孤子切換樣品的實驗過程示意圖。

（f）同時存在兩種重建狀態的樣本的電流圖像。

五、【成果啟示】

在扭曲的單層-多層石墨烯中，研究發現反向堆疊順序和不同應變孤子網絡的雙穩堆疊態。研究發現網絡中的孤子是強耦合的，使得單個孤子上的局部機械擾動，可以自發地以類似多米諾骨牌的方式傳播，從而切換整個網絡。通過引入拓撲缺陷，可以局部限制開關，以人為地重塑或調控雙穩堆疊態的模式，這為研究復雜扭曲范德華結構的豐富物理性質，提供了一個很有前途的平臺。

文獻鏈接：Domino-like stacking order switching in twisted monolayer–multilayer graphene (Nat. Mater. 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01232-2)

本文由大兵哥供稿。

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