2010年的诺贝尔物理奖，颁发给了在英国的两位物理学家盖姆（Andre Geim）和诺奥肖洛夫（Konstantin Novoselov），表彰他们对石墨烯（graphene）研究的贡献。 这是历史上第一个关于碳的物理奖。石墨烯自诞生起，便如雨后春笋般一发不可收拾，因石墨烯具有很多神奇性能，号称“新材料之王”。在追逐石墨烯的同时，一大批石墨烯之外的二维材料也被相继开发出来，经过多年的研究积累，研究者们发现了数十种二维半导体材料，其中具有代表性的有：过渡金属硫族化合物、黑磷、硅烯、锗烯、石墨烯纳米带，以及少量的镓、铅、铋的硫族化合物等。
在二维材料研究领域，涌现出了超多的学术大牛，其中，南京大学的王雷教授就是一位典型的青年才俊，在二维材料领域著作颇丰。
王雷，现任南京大学物理学院教授。本科毕业于新加坡国立大学，博士师从哥伦比亚大学二维材料领域的先驱James Hone教授，随后他以Kavli Fellow的身份加入康奈尔大学纳米科学领域的鼻祖Paul McEuen院士团队。
Figure 1. 王雷教授
目前已发表学术SCI学术论文40余篇，包括Nature、 Science 及其子刊系列25篇。其中Science 6篇 ，Nature 4篇，Nature Materials 1篇，Nature Photonics 1篇，Nature Physics 3篇， Nature Nanotechnology 4篇，Nature Communications 5篇， Science Advances 1篇，Advanced Materials 1篇，Phys. Rev. Lett. 2篇等。他的论文被累计引用高达19000余次，连续多年被评为全球“高被引科学家”。
王雷教授长期从事二维量子材料的电学输运性质的研究，在二维材料异质结器件中作出了开创性的技术突破。其2013年发表在Science期刊的科研成果，发明了二维材料的pick-up转移和堆积技术，突破性地提高了二维材料的电子器件质量，并在实验上发展了二维材料异质结这个研究方向。在此领域上取得了多个重要的科研成果，包括实验观测到霍夫施塔特蝴蝶能谱、随外电场可调控的分数量子霍尔态、量子分形体系中的反常分数量子霍尔态、单层原子上的随应力可调控的极化电荷、石墨烯超快表面等离激元、双层石墨烯上的随外电场可调控激子，转角二维TMD体系中的相关绝缘态。王雷教授目前的研究方向为二维材料多层异质结器件微加工及其电、磁输运性质，电子关联体系等。
01.Science:二维材料的一维电接触
原子级薄的二维(2D)材料——例如石墨烯、六方氮化硼(BN)和过渡金属二硫属化物(TMDC)——为基础研究和应用提供了各种出色的特性。将具有互补特性的多种2D材料组装成分层异质结构的能力为材料设计提供了一个令人兴奋的新机会，但仍然存在一些基本挑战，包括与封装的2D层保持良好的电接触。哥伦比亚大学王雷等人展示了一种新的器件拓扑结构，其中3D金属电极沿着1D石墨烯边缘连接到2D石墨烯层。他们首先将石墨烯层封装在BN中。然后蚀刻整个多层堆叠，仅暴露石墨烯层的边缘，然后金属化。这种接触几何形状类似于传统半导体场效应晶体管(FET)中的几何形状，其中掺杂的3D体区与2D电子气进行横向接触。尽管载流子注入仅限于石墨烯片的一维原子边缘，但接触电阻非常低（在某些器件中低至100 ohm·μm）。边缘接触工艺还允许完全分离层组装和接触金属化工艺，这允许实现无聚合物层组装方法。结合这两种技术，王雷等人制造了具有前所未有的性能的石墨烯器件，其室温迁移率高达140000 cm2/Vs和薄层电阻率在n>4×1012cm-2低于每平方40 ohm，与声子散射施加的理论极限相当。在低于40 K的温度下，观察到超过15 μm的长度尺度上的弹道传输。
图1. 大面积、高性能的BN-G-BN器件
参考文献：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1244358
02.Science:石墨烯生长的氧气控制
通过化学气相沉积在铜(Cu)上生长高质量的石墨烯单晶并不总是能够控制畴尺寸和形态，并且在可能相似的生长条件下，不同实验室的结果各不相同。得克萨斯大学奥斯汀分校Hao Yufeng、新加坡A*STAR的M. S. Bharathi、哥伦比亚大学王雷（参与）等人发现铜表面上的氧(O)通过钝化铜表面活性位点显着降低了石墨烯成核密度。表面O的控制使厘米级单晶石墨烯域的可重复生长成为可能。氧气还加速了石墨烯域的生长，并将生长动力学从边缘附着限制转变为扩散限制。相应地，紧凑的石墨烯域形状变成树枝状。尽管在O存在下生长，石墨烯薄膜的电学质量与机械剥离的石墨烯相当。
图2. O对Cu上石墨烯畴形状的影响
参考文献：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1243879
03.Science:打破石墨烯的简并
双层石墨烯具有两层六边形排列的碳原子，它们以交错配置堆叠在彼此的顶部。这种空间排列导致简并电子状态：具有相同能量的不同状态。电子之间的相互作用会导致状态在能量上分离，外部场也是如此。量子系统中的对称破坏通常会导致复杂的涌现行为。在双层石墨烯(BLG)中，垂直于基面施加的电场破坏了晶格的反转对称性，在电荷中性点打开了带隙。在量化磁场中，电子相互作用会导致自旋和谷自由度内的自发对称性破坏，从而导致具有复杂顺序的量子霍尔效应(QHE)状态。哥伦比亚大学Patrick Maher、王雷（共同一作）等人报告了BLG中的分数QHE状态，这些状态显示了相变可以通过横向电场调整。该结果提供了一个模型平台，用于研究对称破坏在具有拓扑顺序的紧急状态中的作用。
图 3. 实验设置和FQHE状态
参考文献：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1252875
04.Science:石墨烯超晶格中分数分形量子霍尔效应的证据
在外部磁场的影响下，二维系统中的电子能量聚集成所谓的朗道能级。在最干净的样品中，电子之间的相互作用导致分数量子霍尔(FQH)状态。如果这样的系统随后受到超晶格势的影响，那么脆弱的FQH状态是否会存在尚不清楚。为了解决这个问题，哥伦比亚大学王磊等人将石墨烯夹在两层六方氮化硼之间。超晶格上的输运测量表明，一些FQH状态确实存在。此外，相互作用和超晶格势之间的相互作用产生了额外的异常状态。王磊等人观察到常规分数量子霍尔效应(QHE)状态和与分形Hofstadter光谱相关的整数QHE状态共存。在大磁场中，他们观察到另一系列状态的特征，这些特征出现在分数布洛赫填充指数处。这些分数布洛赫带QHE状态不是现有理论图片所预期的，而是指向一种不同类型的多体状态。
图4.FBQHE态
参考文献：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aad2102
05.Science:弹道石墨烯中具有p-n结的电子光学器件
穿过弹道半导体结传输的电子预计会发生折射，类似于穿过光学边界的光线。在石墨烯中，线性色散和零间隙带结构通过简单的静电门控允许高度透明的p-n结。哥伦比亚大学Chen Shaowen、Han Zheng(共一)、王雷（参与）采用横向磁聚焦来探测载流子穿过静电定义的石墨烯结的传播。研究人员发现与预测的电子斯涅尔定律一致，包括对正折射和负折射的观察。穿过p-n结的谐振传输提供了对角度相关传输系数的直接测量。将实验数据与模拟进行比较，揭示了有效结宽所起的关键作用，为未来的器件设计提供了指导。该结果为实现基于石墨烯p-n结的电子光学铺平了道路。
图5.电子的斯涅尔定律
参考文献：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaf5481#con1
06.Science:双层石墨烯中的可调激子
激子——固体中成对的电子和空穴——可用于光电应用。能够调整激子能量将为此类设备带来功能灵活性。尽管预测在双层石墨烯中会形成可调激子，但通过实验观察它们很困难。康奈尔大学Ju Long、王雷（共一）等人报告了使用封装在六方氮化硼中的高质量BLG的光电流光谱对双层石墨烯(BLG)中激子的观察。研究人员观察到两个突出的激子共振，其线宽可从中红外到太赫兹范围可调。这些激子遵循与传统半导体不同的光学选择规则，电子赝自旋绕组数为2。外部磁场引起谷激子的大分裂，对应于大约20的g因子。这些发现开辟了机会探索电可调石墨烯系统中具有赝自旋纹理的激子物理学。
图6.带隙调谐BLG的光电流谱
参考文献：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aam9175
07.Nature:霍夫施塔特蝴蝶和莫尔超晶格中的分形量子霍尔效应
穿过空间周期性晶格势的电子产生由离散布洛赫带组成的量子化能谱。在二维空间中，穿过磁场的电子也会产生量子化的能谱，由高度简并的朗道能级组成。当同时受到磁场和周期性静电势的影响时，二维电子系统表现出自相似的递归能谱。这种复杂的光谱被称为霍夫施塔特蝴蝶，是由与两个量化场相关的特征长度之间的相互作用产生的，是物理学中发现的第一个量子分形之一。在其预测后的几十年里，研究这种效应的实验尝试受到了协调两个长度尺度的困难的限制。典型的原子晶格（周期小于1纳米）需要不可行的大磁场才能达到可公度条件，而在人工设计的结构（周期大于约100纳米）中，相应的场太小而无法完全克服无序。纽约城市大学C. R. Dean、哥伦比亚大学王雷等人证明了在与六方氮化硼耦合的双层石墨烯中产生的莫尔超晶格提供了具有十纳米数量级的理想长度尺度的周期性调制，从而实现了对分形光谱的前所未有的实验验证。研究人员确认与分形间隙相关的量子霍尔特征由两个整数拓扑量子数描述，并报告了它们递归结构的证据。观察双层石墨烯中的Hofstadter光谱意味着可以在具有可调内部自由度的系统中研究分形能量景观中的涌现行为。
图7.摩尔超晶格
参考文献：
https://www.nature.com/articles/nature12186
08.Nature:用于能量转换和压电电子学的单原子层MoS2的压电性
纳米线、薄膜和块状晶体的压电特性已被密切研究，以用于传感器、换能器、能量转换和电子学的潜在应用。由于其高结晶度和承受巨大应变的能力，二维材料作为高性能压电材料备受关注。预计单层MoS2具有强压电性，由于相邻原子层的相反取向，这种效应在体中消失。佐治亚理工学院Wu Wenzhuo、哥伦比亚大学王雷（共一） 等人报告了二维MoS2压电特性的第一次实验研究，并表明具有奇数原子层的薄MoS2薄片的循环拉伸和释放会产生振荡的压电电压和电流输出。 应变为0.53%的单个单层薄片产生15 mV和20pA的峰值输出，对应于2 mW m-2的功率密度和5.08%的机械-电能转换效率。与理论预测一致，当应变方向旋转90°时，输出随着厚度的减小而增加，并且符号相反。传输测量显示在单层MoS2中有很强的压电效应，但在双层和块状MoS2中没有。二维纳米材料中压电性和半导体特性之间的耦合可以促进纳米器件、自适应生物探针和可调/可拉伸电子/光电子学中的应用的发展。
图8.单层二硫化钼压电器件及操作方案
参考文献：
https://www.nature.com/articles/nature13792
09.Nature:石墨烯等离子体的基本限制
等离子体激元是光和移动电子的混合激发，可以将长波辐射的能量限制在纳米尺度。等离子体激元可能会产生许多神秘的量子效应，包括激光、拓扑保护和偶极子禁止吸收。实现这种现象的必要条件是长等离子体寿命，众所周知，对于高度受限的模式很难实现。石墨烯中的等离子体激元——狄拉克准粒子和红外光子的混合物——为在纳米尺度上探索光-物质相互作用提供了一个平台。然而，石墨烯中的等离子体耗散很大，其基本限制仍未确定。哥伦比亚大学G. X. Ni,A. S. McLeod,王雷（参与）等人使用纳米级红外成像来研究低温下高迁移率封装石墨烯中传播的等离子体激元。在这种情况下，等离子体极化子的传播主要受封装层的介电损耗限制，电子-声子相互作用的贡献很小。在液氮温度下，固有等离子体传播长度可以超过10微米，或50个等离子体波长，从而创造了高度受限和可调谐极化子模式的记录。研究人员的纳米级成像结果揭示了等离子体耗散的物理学，并将有助于减轻异质结构工程应用中的此类损失。
图 9. 低温下Au/hBN/石墨烯/hBN封装结构中表面等离子体的纳米级红外成像
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0136-9
10.Nature:扭曲过渡金属二硫属化物中的量子临界性
在有序和无序量子相之间的边界附近，一些实验已经证明了违背朗道费米范式的金属行为。在莫尔异质结构中，最近发现了由电子相关性驱动的栅极可调绝缘相。南京大学王雷（共同通讯）等人使用传输测量来表征扭曲WSe2中接近第一个莫尔子带一半填充的金属-绝缘体跃迁（MIT）。王雷等人发现MIT作为密度和位移场的函数是连续的。在金属-绝缘体边界处，电阻率在低温下表现出奇怪的金属行为，其耗散与普朗克极限下的耗散相当。进一步进入金属相，费米液体行为在低温下恢复，这在中间温度下演变为量子临界风扇，最终达到接近室温的异常饱和状态。残余电阻率的分析表明绝缘相中存在强量子涨落。这些结果建立了扭曲的WSe2作为研究三角形晶格上的掺杂和带宽控制的金属-绝缘体量子相变的新平台。
图10.带宽驱动的量子临界性
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03815-6
来源：高分子科学前沿
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