曼彻斯特大学 Artem Mishchenko 教授团队Nature: 石墨中莫尔表面和本征态的混合
曼彻斯特大学 Artem Mishchenko 教授团队Nature: 石墨中莫尔表面和本征态的混合
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石墨是地球上最古老的矿物质之一，是我们日常生活中最常见的材料之一，也作为神奇材料石墨烯的母材料而得到科研工作者的关注。
近日，
曼彻斯特大学物理与天文系
Artem
Mishchenko
教授团队
在石墨研究中再次取得重大进展，相关结果发表在
Nature
[1]
杂志上。
石墨虽然只具有由蜂窝状碳原子排布形成的晶体结构，但其复杂性却远远超乎我们的想象。在石墨结构中，不同单原子层之间的堆叠次序会产生不同类型的石墨
--
常见的堆叠次序包括六方石墨
(hexagonal graphite)
和菱方石墨
(rhombohedral
graphite)
。由于其堆叠结构的微小差异，菱方和六方石墨的电子结构却截然不同。
Mishchenko
教授团队曾对亚稳态的菱方石墨特异的电子输运性能进行过深入研究，相关工作于
2020
年发表在
Nature
[2]
杂志上
（图
1
）。实验结果显示，小于
4
纳米厚度的菱方石墨会在电中性点处产生带隙。同时，菱方石墨由于其特殊的堆叠顺序和拓扑保护，也具有平带光谱。这意味着菱方石墨体系在研究电子关联等问题时具有与魔角石墨烯类似的意义，而电子关联在超导和磁性材料的研究中有着至关重要的作用。然而石墨不需要额外引入摩尔周期性，所以相比于转角石墨烯体系，石墨系统是更适用于基础研究且容易实现的实验体系。
图
1.
菱方石墨中的电子关联
高质量的石墨晶体，很显然是这些实验成功的基础。然而菱方石墨在自然界中很罕见，通常只有不到
15%
的自然石墨具有菱方堆叠。并且由于菱方石墨处于亚稳态，很容易在转移或封装的过程中发生层间滑移而转变成六方石墨。为了解决这一难题，该团队通过控制石墨转移过程中的滑移方向
（图
2
），实现了对石墨中的堆叠次序的精确调控，为研究石墨体系提供了极具价值的实验技术
[3]
。
图
2.
采用范德华技术对石墨堆叠结构的调控
相比之下，六方石墨是更为普遍存在的石墨矿产，也因此让它成为最“普通”的材料之一。通常，在石墨晶体表面处会由于晶格的周期性排列被扰乱而产生表面态，表面态深入石墨块体时会不断消逝。但如何控制石墨表面态，以及表面态如何影响石墨内部长程电子输运性能，仍有待解决。
范德华异质结和魔角石墨烯是二维材料研究中两个如火如荼的领域。通过将具有特异性能的二维材料组装成异质结，或者将石墨烯以特定的角度堆叠而形成莫尔超晶格，研究人员在这些体系中发现了不计其数超乎我们预期的新现象和新物理，也因此极大推动了这两个领域在近年来的迅速发展。
Mishchenko
教授团队巧妙利用这两大利器：将范德华技术从二维体系应用到三维石墨体系中，并利用石墨与六方氮化硼界面的莫尔超晶格来调控石墨中如万花筒般随掺杂状态不断变化的表面态，揭示石墨体系中不同寻常的新物理
(
图
3)
。
图
3.
六方石墨器件图。
(a)
对齐和不对齐界面的莫尔界面，
(b,c)
器件光学图像
该团队研究发现，莫尔势能对石墨的调控不仅局限于表面态，而是会贯穿整个石墨块体，影响其整体的电子性能。这有些类似于豌豆公主的故事，隔着
20
床床垫和羽绒被，豌豆公主依然可以感受到一小颗豌豆带来的不适。在石墨中，界面处的莫尔势能够透过
40
余原子层而调控整个石墨内部的电子性能。这项工作深入研究了六方石墨在与六方氮化硼产生的莫尔超晶格对其性能的影响。其中非常重大的发现是观察到在石墨中，介于二维和三维之间，
2.5
维度表面态和本征态的混合，这一混合通过一种新型的分形量子霍尔效应
(fractal quantum Hall effect)
展示出来，可以称之为
2.5
维度的
Hofstadter
蝴蝶
(
图
4)
。
图
4.
石墨体系中的
2.5
维
Hofstadter
蝴蝶
值得一提的是，
Mishchenko
教授也是石墨中
2.5
维量子霍尔效应的发现者
，图
5[4]
。通常，量子霍尔效应被认为只存在于二维体系中，而他是首位在准三维材料石墨中观察到霍尔量子效应，并打破这一传统认知的人。他说，“
作为石墨烯的母材料，石墨显得格外低调，也因此并不被研究者重视。但随着我们对石墨不断深入的研究，随着对石墨认知的积累，我们也越来越被这个体系所吸引，还有很多兴奋的问题值得我们探索
”。本文的一作，
Ciaran Mullan
补充道，“
我们的工作开启了将扭角二维体系扩展到三位体系的先河，为调控这些材料的电子输运性能提供了新机遇
”。
图
5.
石墨中的
2.5
维量子霍尔效应
目前，该团队
(www.2dmatters.com)
仍然在不断推进对石墨体系的研究，深入理解石墨这种普通但又充满魅力的古老材料。
参考文献
1. Nature , DOI 10.1038/s41586-023-06264-5 (2023)
2.
Nature
584, 210–214 (2020)
3.
Nano Lett.
19, 8526–8532
(2019)
4.
Nature Physics
15, 437–442 (2019)
原文链接
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06264-5
相关进展
南航郭万林院士团队殷俊教授与合作者 Nature：石墨（三维半金属）的电子态可通过表面周期势来调控
G. Barratt Park教授、郭华教授《Nat. Chem.》: 揭示石墨氧原子散射的自旋选择性碰撞和自旋翻转机制
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