扭曲双层石墨烯的最新进展 | 石墨烯大会 | 上海石墨烯展

石墨烯因其出色的物理和电子特性而在二维 (2D) 材料中广受欢迎。其双层形式是通过堆叠两个石墨烯单层来合成的；将这些层以小角度扭转会产生扭曲双层石墨烯 (tBLG) 超晶格。

由于这些堆叠层之间的相对取向而产生的莫尔条纹的观察推动了石墨烯研究的快速发展。tBLG中的无序和层间相互作用增强了其光学和电学特性，包括超导性。本文探讨了 tBLG 的最新突破及其在材料科学及其他领域的潜在应用。

多层石墨烯结构的机械、光学和电子特性可以通过改变堆叠顺序、层间间距和相对扭转角 (θ) 来调整。类似tBLG 是通过以特定的扭转角堆叠两片通过化学气相沉积 (CVD) 合成的单层石墨烯片而制成的。

这种不寻常的堆叠方式赋予了 tBLG 各种角度相关的特性。

莫尔条纹是由石墨烯-石墨烯相互作用产生的，而石墨烯-石墨烯相互作用是由相对层取向引起的。这些高度周期性的图案是 tBLG 非凡的光学和电子特性的原因。此外，tBLG 还表现出与扭转角度相关的狄拉克光谱（类似于碳纳米管中的手性依赖性）、费米速度、磁阻振荡和量子霍尔效应。

tBLG 器件的光学和电学特性由两个石墨烯层之间的扭转角决定。在特定的“魔角”下，tBLG 表现出非凡的物理特性，例如超导性、相关绝缘性和密度波。此外，tBLG 系统表现出高电导率变化，揭示了从半导体到金属行为的转变。

tBLG 的其他独特特征包括魔角周围的低位平带。此外，tBLG 的费米能
量在魔角（θ = 1.05 度）附近低于 10 meV；然而，约 1 开尔文的超导临界温度相对较高。tBLG 的这种非传统行为对研究界来说很有吸引力。

人们正在探索创新方法来制造具有小扭转角的tBLG。例如，利用六方氮化硼来获得具有旋转排列晶轴的石墨烯层。tBLG也是通过飞秒激光微加工和精确转移切割、旋转和堆叠石墨烯层来制备的。

制备 tBLG 薄膜的其他方法包括控制单层石墨烯的亲水和疏水边界折叠以及垂直堆叠。

两层石墨烯的轻松扭转和堆叠可产生均匀有序的莫尔超晶格，能够表现出 tBLG 中不寻常的超导性和相关性。然而，层间堆叠后扭转角度变得僵硬。或者，机械弹性应变可以通过调节晶格间距和对称性来帮助控制 tBLG 的电子结构。

Small杂志最近发表的一篇文章回顾了通过平面内和平面外模式对 tBLG 进行应变的各种创新。其中包括为定量调整应变工程电子结构而进行的表征和计算。

2D 材料领域的另一项最新研究表明，tBLG 中的拓扑超导状态仅取决于莫尔微带，而不是扭转角调节。该方法涉及使 tBLG 受到诱导的 Rashba 自旋轨道耦合、s 波超导性和交换场的影响，并且适用于 1.3 至 3 度的扭转角。这种方法对于开发基于 tBLG 的量子计算机是可行的。

tBLG 的可调层间连接和能带结构对于推进基于 tBLG 的设备、先进材料和不同的量子现象具有巨大的潜力。机械堆叠的 t-BLG 还可以帮助将其超导机制与传统超导体区分开来，有可能开发出在接近环境温度下表现出超导性的材料。

剪切和弯曲等新型应变模式将弹性应变工程扩展到传统张力模式之外，为开发柔性、应变定制的 tBLG 电子设备开辟了道路。例如，在微小的扭曲 tBLG 上施加深度应变会将其六边形孤子结构转变为一维网络，从而调节其电性能。

《自然通讯》杂志最近的一项研究展示了硅光子学 (SiPh) 波导集成 tBLG 光电探测器。所开发的探测器对 1550 nm 电信波长的响应度为 0.65 A/W，可实现 3-dB 带宽和 50 Gbit/s 数据流速率。出色的光电探测器性能归功于 tBLG 的高光吸收率和 4.1 度的扭转角。

总体而言，这项研究强调了大面积 tBLG 与 SiPh 进行异质集成的潜力。

尽管在研究方面取得了一些进展，并具有潜在的应用前景，但在实现两层石墨烯的受控扭曲以制造和表征 tBLG 方面仍然存在重大挑战。此外，由于应变和角度紊乱造成的内在破坏，在 1.1 度的第一个魔角处精确堆叠双层石墨烯以观察超导性是一项繁琐的工作。

扭转角的改变会显著改变空间波函数分布。虽然这允许在 tBLG 中设计用于电子应用的带隙，但某些扭转角下的局部波函数会导致载流子迁移率突然降低。这可能会对基于 tBLG 的器件性能产生负面影响。因此，需要仔细考虑以获得理想的电子特性和载流子迁移率，以实现理想的器件功能。

扫描隧道显微镜 (STM) 已被广泛用于理解 tBLG 的原子和电子结构。然而，需要更高分辨率的仪器和技术才能进一步推动和应用这一领域。人们提出了角分辨光电子能谱等技术，以更深入地探究 tBLG 的独特特性及其背后的物理原理。

石墨烯等扭曲二维材料的特性可通过应变工程进行调整。然而，实现大面积精确均匀的应变控制存在重大技术障碍。

tBLG 的超薄特性会导致局部拉伸或压缩，这是由于制造过程中的基板变形或热应力造成的。尽管这些局部应变对材料的物理特性有积极影响，但它们的不均匀性阻碍了该材料在实际设备中的应用。

合成、表征和电子结构测定技术的不断改进有望加速 tBLG 相关的进展和应用。这反过来又可能导致“扭转电子学”的发展，即“扭转”和“电子学”的融合，利用石墨烯等层状材料的电子特性随扭转角度的变化而变化。

像 tBLG 这样的扭曲二维材料的应变工程可以进一步将“扭转电子学”和“应变电子学”扩展到“应变扭转电子学”领域。因此，具有可调特性和受控性能的新型铁电和光电器件可能在未来成为现实。

tBLG 的一个非常有前景的前沿是超导性。魔角 tBLG 的行为与高温超导体中观察到的行为相似。全面了解这些 2D 材料的内在机制可以为开发高温超导材料、新型栅极定义约瑟夫森结和超导量子干涉装置 (SQUID) 开辟道路。