科学家探秘二维材料的远程莫尔相互作用！！
文摘
2024-11-23 07:31
青海
莫尔超晶格是通过将两层小扭转角或晶格失配的二维材料堆叠而形成的，由于其在研究霍夫斯塔特蝴蝶、强关联、超导性、轨道磁性等新兴物理现象中的潜力，成为了近年来的研究热点。然而，目前的莫尔超晶格构建技术需要材料同时作为莫尔构建层和电子传输层，限制了适用材料的范围，且通常只表现出短程相互作用，难以灵活调整带结构和材料性能。有鉴于此，西湖大学理学院徐水钢课题组团队提出了一种新的方法，通过使用菱形堆叠的扭曲过渡金属二硫化物（TMDCs）构建远程莫尔超晶格，从而将莫尔构建层与电子传输层分离。本研究中，研究人员利用扭曲的WSe2生成空间周期性的铁电极化，并将其莫尔势传递至远处的双层石墨烯，成功实现了对其电子带结构的调控。这一研究不仅为二维材料的带结构工程提供了灵活的策略，还展示了远程莫尔超晶格与常规莫尔超晶格共存的潜力，极大拓展了其在材料物理领域中的应用前景。![]()
【科学亮点】
1.实验首次通过调节扭转角构建了菱形堆叠的过渡金属二硫化物（如WSe2）与双层石墨烯之间的远程莫尔铁电性超晶格，展示了该结构的可调性和灵活性。2.实验通过将扭曲的WSe2作为莫尔构建层，成功在双层石墨烯中印刻出显著的卫星电阻峰，验证了远程莫尔势的存在，这些卫星峰与WSe2的扭转角度相关联，表现出可调性。3.研究发现，扭曲WSe2中的空间周期性铁电极化可以通过长程静电势传递到远程的双层石墨烯，表明莫尔铁电性与电子传输特性之间存在关联。4.实验中观察到在有限位移场下的铁电滞后现象，进一步支持了莫尔铁电势的有效性，并揭示了该结构在电子特性工程方面的潜力。5.研究还表明，构建的超晶格具有高度灵活性，可以将莫尔构建层与电子传输层分开，从而为工程化二维材料的带结构和特性提供了新策略。 ![]()
图1：通过远程莫尔铁电性在双层石墨烯中构建的可调超晶格。![]()
图2：通过扭转角为60° + 0.61°的双层扭曲WSe2对双层石墨烯进行带结构工程（设备D1）。![]()
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图4：在设备D2中，铁电莫尔超晶格与常规莫尔超晶格的共存。【科学启迪】
虽然远程莫尔相互作用看似较弱，但它们在修改二维材料的能带结构或拓扑方面具有重要潜力。例如，在最近报道的菱形五层石墨烯/h-BN超晶格中，界面处出现了一系列分数量子异常霍尔态，这些状态远离莫尔超晶格。要观察这些奇特的拓扑态，需要存在莫尔势，但其强度必须足够弱。有研究提出，具有弱势的远程莫尔超晶格可以稳定量子异常霍尔晶体和分数量子异常霍尔相。作者的策略为在此类系统中研究可控的莫尔波长相关的关联拓扑态提供了一种有希望的方法。通过调整远程过渡金属二硫化物（TMDCs）的扭转角，可以轻松调节莫尔势的周期，而其强度则可以通过选择不同厚度的TMDC作为构建块来控制。这使得目标层与莫尔构建层之间的距离得以精确调整。总之，作者设计了异质结构，通过将莫尔铁电势印刻到目标电子材料上来创建莫尔超晶格。将莫尔势与电子传输层分开使作者能够在设计多样的具有不同对称性的莫尔超晶格的同时，保持目标层的高质量。该技术可以轻松应用于其他极性二维绝缘体，如扭曲WS2以及超出双层石墨烯的任意导电目标材料。作者的工作为扩展莫尔超晶格并构建奇异的能带结构（如拓扑平带）提供了一条途径。参考文献：Ding, J., Xiang, H., Zhou, W. et al. Engineering band structures of two-dimensional materials with remote moiré ferroelectricity. Nat Commun 15, 9087 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53440-w
