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碳量子材料:一天两篇《Nature》!
发布时间: 2020-08-25 10:33 | 【 【打印】【关闭】

  8月12日,学术顶刊《自然》上同期刊登了两篇关于碳量子材料论文

  二维碳量子材料中存在平带(flat band)。处于平带中的电子相互间作用力很强,从而产生特殊的电学性能,如非常规超导态和关联绝缘态等。二维碳量子材料因而成为研究电子强关联和高温超导机理的重要平台。最近大火的魔角石墨烯便是石墨烯量子材料的一员(今年最火课题之一!魔角石墨烯三个月内第5篇《Nature》!)。制备魔角石墨烯需要调整两层石墨烯间的夹角至~1.1°(误差不大于0.1°)。如此精密的操作难以推广。《自然》上的两篇工作面对这一挑战,报道了制备更方便、具有类似魔角石墨烯电学性质的“替代品”。

  【1】    

  

     美国Rutgers大学Eva Y. Andrei教授和Yuhang Jiang教授团队发现沉积在平整六方氮化硼(h-BN)或硒化铌(NbSe2)纳米片上的单层石墨烯在稀释氢气氛围下(10% H2,90% Ar)加热至503 K后降温至4.6 K时,可在局部起皱形成规则的超晶格。该超晶格由两列褶皱交汇而成,形成如山峰-山谷般周期起伏的形貌。通过扫描隧道电子显微镜表征和计算模拟,作者们发现在超晶格中的电子运动仿佛被周期性分布的巨大磁场束缚,从而产生类魔角石墨烯的平带和相关电学性质。本工作报道的制备方法有望拓展至其他超晶格体系。

  

 (扫描隧道电子显微镜显示沉积在NbSe2上的单层石墨烯局部的超晶格结构)

  【2】 

  

   传统石墨晶体结构属六方晶系,呈ABABAB…堆积,结构稳定。而石墨还有另一种亚稳态晶体结构——菱形石墨。该结构呈ABCABCABC…堆积,为三方晶系。理论预测认为正是这种内在错位堆积使菱形石墨表面出现近似电子平带,从而出现电子-电子强关联作用。

  英国曼彻斯特大学Artem Mischenko教授团队首次实验验证了这一预测。他们采用h-BN封装法,将不同层数(~10–50层)的菱形石墨限制于两层h-BN之间,从而维持了菱形石墨的结构稳定性。他们测定了菱形石墨在不同温度和电磁场强度下的电阻,发现施加电磁场可让菱形石墨表面电子能级出现带隙,机理与量子自旋霍尔效应有关。更神奇的是,当菱形石墨的厚度降到4 nm以下,不加任何电磁场情况下带隙会自动出现。同时,作者们发现菱形石墨电阻变化迟于电磁场变化。这一现象的本质尚未有定论,但作者们认为这暗示了4 nm厚的菱形石墨为一种强关联电子体系。

  

 (菱形石墨结构及其在电磁场作用下出现带隙)
    文章来源:高分子科学前沿、新材料网
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