【研究背景】
石墨烯因其优异的电学、热学及机械性能，被广泛应用于传感器、储能设备、电子器件等领域。尤其是二维石墨烯材料，因其特殊的电子结构，成为研究强关联电子现象的新平台。与传统的单层或双层石墨烯材料相比，多层石墨烯，尤其是菱形堆叠结构（RG），由于具有较为平坦的低能带，提供了额外的物理学研究价值。然而，虽然RG材料在理论上具备丰富的电子关联特性，但关于其多层结构中电子结构和关联效应的研究仍然有限，这一领域的探索面临着巨大的挑战。
为了解决这一问题，湖南大学殷隆晶教授、秦志辉教授以及河北师范大学王文晓教授携手在“Nature Nanotechnology”期刊上发表了题为“Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene”的最新论文。该团队设计并制备了从3层到9层的高质量RG材料，并利用扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱学（STS）技术，首次揭示了RG多层材料中层数依赖的电子结构和关联状态。研究表明，随着层数的增加，RG中的低能扁带进一步平坦化，并且层间相互作用呈现出显著的层依赖性。
特别地，在液氮温度下，当这些低能扁带部分填充时，发现了约50至80 meV的带隙分裂，表明在较厚的RG中出现了由相互作用引发的强关联态。更重要的是，六层RG表现出最强的关联态，验证了理论上的预测，并为进一步研究强关联物理提供了新的候选材料。这一发现不仅为作者理解RG材料的层依赖电子性质提供了新的视角，也为探索稳定且易于制备的强关联系统奠定了基础。
【研究亮点】
1）实验首次在液氮温度下，通过扫描隧道显微镜（STM）和谱学（STS）测量，观察到3到9层菱形石墨烯（RG）中的电子结构和关联态，揭示了RG多层的层依赖性。
2）实验通过分析密度态（DOS）谱，得到了由扁带引起的尖锐DOS峰，并发现随着层数的增加，RG中的低能带进一步扁平化。通过提取层间耦合强度，确定了层数对带结构的影响。
3）实验通过测量填充变化的STS，发现扁带峰在部分填充时出现50至80 meV的分裂，表明存在由相互作用引起的强关联态。分裂能量范围的变化与层数有关，且六层RG中观察到的关联态强度最大，直接验证了理论预测。
【图文解读】
图 1. 菱形多层石墨烯的形貌和光谱
图 2. 菱面体多层石墨烯的能带结构演变
图 3. 平带 LDOS 峰的掺杂依赖性
图 4. 电子相关性的层依赖性
【科学启迪】
本文通过STM/STS测量研究了随着层数变化的RG带结构及其关联相。发现的层数依赖的扁带和层间跃迁强度为多层RG的基本带结构提供了重要信息。特别是，作者发现了在液氮温度下持续存在的层增强的关联态，并且在六层RG中观察到最大的相互作用强度。这些在N<10的RG多层中观察到的层依赖性关联态揭示了几个令人兴趣的方面，可能激发进一步的研究：
1）作者清晰地确定了CNP处LAF态的层依赖性，之前在RG（3L、4L、5L、6L及厚层）中表现得较为难以捉摸；
2）在液氮温度下出现明显的关联态令人十分惊讶，尽管可能受到局部测量的影响。基于这一发现，多层RG表现出一个有前景的系统，能够在抗热波动方面承载高度可访问的集体现象；（3）此前仅在3层RG中发现了超导性，且需轻微掺杂。作者的结果表明，在3<N<10的RG中，关联效应增强，并伴随着在多层中类似掺杂区域表现出许多体行为，从而为研究稳健或非常规超导性提供了丰富且简单的材料平台。
原文详情：
Zhang, Y., Zhou, YY., Zhang, S. et al. Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01822-y
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