美國紐約哥倫比亞大學：在2D材料中實現編程扭曲角度和應變分布

一、【導讀】

? ? ? ? 超晶格是一種具有較大周期的、人造的超結構，類似于普通的晶格結構，它也是一種周期性的勢壘，會形成迷你能帶，實現對材料物性的調制。進入21世紀后，隨著石墨烯、六方氮化硼和其他二維材料的發現和興起，這種原子級厚度的二維材料及其豐富的材料堆垛方式為二維超晶格的發展提供了絕佳機會。其中，最典型的兩個代表是2013年興起的石墨烯/六方氮化硼異質莫爾超晶格和2018年發現的魔角石墨烯。二維轉角莫爾超晶格的堆垛結構豐富可調，不論是同質轉角體系還是異質轉角體系，材料、層數、轉角以及襯底都是獨立可調的參數。

二、【成果掠影】

? ? ? ? 扭曲的二維材料中的莫爾條紋超晶格作為實現量子特性的平臺引發了巨大的興趣。然而，莫爾圖樣對層間原子配位非常敏感，當前的組裝技術受到平均扭曲角度控制不精確、局部扭曲角度的空間不均勻性以及由隨機應變引起的扭曲的影響。通過原子力顯微鏡尖端對單層石墨烯帶進行平面彎曲，從而在異質和同質疊層中操縱莫爾圖樣。這種技術實現了扭曲角度的連續變化，改善了扭曲角度的均勻性和減小了隨機應變，從而產生具有可調波長和超低無序度的莫爾圖樣。我們的結果可能實現對超低無序莫爾系統的詳細研究，并實現精確應變工程設備的實現。該工作由美國紐約哥倫比亞大學物理系Cory R. Dean團隊完成，以標題為：“Programming twist angle and strain profiles in 2D materials”發表在Science上。

?三、【核心創新點】

1. 通過以扭曲的方式堆疊單層材料形成的莫爾超晶格能夠容納許多奇特的狀態。
2. 將一層帶狀石墨烯放在六角硼氮上，并使用原子力顯微鏡的尖端彎曲帶狀石墨烯的一端。結果得到的結構的扭曲角度從帶狀石墨烯開始彎曲的點到末端持續增加。

?四、【數據概覽】

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圖1. 2D材料的機械彎曲和扭轉角度控制。?2023 Science

圖2. 可調應變梯度。?2023 Science

圖3. 在沒有莫爾放大的情況下表征應變。?2023 Science

圖4. 超低無序扭曲雙層石墨烯。?2023 Science

五、【成果啟示】

? ? ? ??本文在沒有不受控制的扭曲的情況下，精確調整2D異質結構內的扭曲角和應變的能力，為無無序限制的莫爾帶結構工程鋪平了道路，包括莫爾圖案可以用作廣義量子模擬平臺來研究量子材料中強相關物理和拓撲結構。在彎曲幾何中觀察到的顯著減少的莫爾無序尚未被理解。推測，這可能涉及到晶格弛豫動力學在外部施加的應變場的存在下，但將需要進一步的理論和實驗工作，以充分了解這種行為的起源，以及如何利用這種相互作用，以實現新的控制機會。最后，展示的通過局部機械致動實現的可逆平面內彎曲幾何形狀提供了超越莫爾圖案化的廣義應變工程的替代方法。

原文詳情：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade9995