曼徹斯特大學Artem Mishchenko教授團隊石墨研究新進展 – 捕捉Hofstadter蝴蝶

石墨是地球上最古老的礦物質之一，也作為神奇材料石墨烯的母材料而得到很多關注。近日，曼徹斯特大學物理與天文系Artem Mishchenko教授團隊在石墨研究中再次取得重大進展，相關結果發表在最新一期Nature [1]雜志上。

石墨雖然只具有由蜂窩狀碳原子排布形成的晶體結構，但其復雜性卻遠遠超乎我們的想象。在石墨結構中，不同單原子層之間的堆疊次序會產生不同類型的石墨 -- 常見的堆疊次序包括六方石墨(hexagonal graphite)和菱方石墨(rhombohedral graphite)。其中，菱方石墨在自然界中更為罕見(通常只有不到15%的自然石墨具有菱方堆疊)。Mishchenko教授團隊曾對菱方石墨特異的電子輸運性能進行過深入研究，相關工作于2020年發表在Nature [2]雜志上。此外，該團隊也同樣報道過通過范德華技術調控石墨中的堆疊次序 [3]，為研究石墨體系提供了極具價值的實驗技術。

相比之下，六方石墨是更為普遍存在的石墨礦產，也因此讓它成為最“普通”的材料之一。通常，在石墨晶體表面處會由于晶格的周期性排列被擾亂而產生表面態，表面態深入石墨塊體時會不斷消逝。但如何控制石墨表面態，以及表面態如何影響石墨內部長程電子輸運性能，仍有待解決。

范德華異質結和魔角石墨烯是二維材料研究中兩個如火如荼的領域。通過將具有特異性能的二維材料組裝成異質結，或者將石墨烯以特定的角度堆疊而形成莫爾超晶格，研究人員在這些體系中發現了不計其數超乎我們預期的新現象和新物理，也因此極大推動了這兩個領域在近年來的迅速發展。Mishchenko教授團隊巧妙利用這兩大利器：將范德華技術從二維體系應用到三維石墨體系中，并利用石墨與六方氮化硼界面的莫爾超晶格來調控石墨中如萬花筒般隨摻雜狀態不斷變化的表面態，揭示石墨體系中不同尋常的新物理(圖1)。

圖1 | 六方石墨器件圖。(a) 對齊和不對齊界面的莫爾界面示意圖，(b) 器件光學圖像

該團隊研究發現，莫爾勢能對石墨的調控不僅局限于表面態，而是會貫穿整個石墨塊體，影響其整體的電子性能。這有些類似于豌豆公主的故事，隔著20床床墊和羽絨被，豌豆公主依然可以感受到一小顆豌豆帶來的不適。在石墨中，界面處的莫爾勢能夠透過40余原子層而調控整個石墨內部的電子性能。這項工作深入研究了六方石墨在與六方氮化硼產生的莫爾超晶格對其性能的影響。其中非常重大的發現是觀察到在石墨中，介于二維和三維之間，2.5維度表面態和本征態的混合，這一混合通過一種新型的分形量子霍爾效應(fractal quantum Hall effect)展示出來，可以稱之為2.5維度的Hofstadter蝴蝶(圖2)。

圖2 | 石墨體系中的2.5維Hofstadter蝴蝶

值得一提的是，Mishchenko教授也是石墨中2.5維量子霍爾效應的發現者 [4]。通常，量子霍爾效應被認為只存在于二維體系中，而他是首位在準三維材料石墨中觀察到霍爾量子效應，并打破這一傳統認知的人。他說，“作為石墨烯的母材料，石墨顯得格外低調，也因此并不被研究者重視。但隨著我們對石墨不斷深入的研究，隨著對石墨認知的積累，我們也越來越被這個體系所吸引，還有很多興奮的問題值得我們探索”。本文的一作，Ciaran Mullan補充道，“我們的工作開啟了將扭角二維體系擴展到三位體系的先河，為調控這些材料的電子輸運性能提供了新機遇”。本文的另外一位通訊作者是南京航空航天大學殷俊教授，他在曼大工作期間指導并參與了該研究的大量工作。

目前，該團隊(www.2dmatters.com)仍然在不斷推進對石墨體系的研究，深入理解石墨這種普通但又充滿魅力的古老材料。

參考文獻：

1.Nature, DOI 10.1038/s41586-023-06264-5 (2023)

2.Nature584,?210–214 (2020)

3.Nano Lett.?19, 8526–8532 (2019)

4.Nature Physics 15,?437–442 (2019)

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

本文由論文作者團隊供稿