原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）

由具有相對(duì)扭轉(zhuǎn)角的原子級(jí)薄范德瓦爾斯晶體堆積形成的莫爾圖案可以引起顯著的新的物理性質(zhì)。迄今為止，對(duì)莫爾材料的研究?jī)H限于由不超過(guò)幾個(gè)范德瓦爾斯片組成的結(jié)構(gòu)，因?yàn)橥ǔＵJ(rèn)為局域在單個(gè)二維界面上的莫爾圖案不能顯著地改變?nèi)S晶體的性質(zhì)。

有鑒于此，華盛頓大學(xué)Matthew Yankowitz等人對(duì)通過(guò)在薄的塊狀石墨晶體上輕微旋轉(zhuǎn)單層石墨烯片構(gòu)建的雙門控器件進(jìn)行了輸運(yùn)測(cè)量。作者發(fā)現(xiàn)，莫爾勢(shì)改變了整個(gè)體相石墨薄膜的電子性質(zhì)。在零場(chǎng)和小磁場(chǎng)下，輸運(yùn)是由柵極可調(diào)的莫爾和石墨表面態(tài)以及不響應(yīng)柵極的共存半金屬體態(tài)共同介導(dǎo)的。在高場(chǎng)下，由于石墨的兩個(gè)最低Landau能帶的獨(dú)特性質(zhì)，莫爾勢(shì)與石墨體態(tài)發(fā)生雜化。這些Landau能帶有利于形成單一的準(zhǔn)二維混合結(jié)構(gòu)，其中莫爾態(tài)和體相石墨態(tài)密不可分地混合在一起。

伯納爾石墨和莫爾石墨的傳輸

本研究主要集中在扭曲的石墨烯-石墨。首先將伯納爾石墨與代表性扭曲石墨烯-石墨器件的傳輸特性進(jìn)行比較。與在伯納爾石墨中的觀察相反，t1+10樣品中的傳輸根據(jù)掃描的柵極而有很大差異，結(jié)構(gòu)的鏡像對(duì)稱性被表面旋轉(zhuǎn)的石墨烯片打破。源于石墨帶結(jié)構(gòu)的莫爾條紋重建，標(biāo)志著一系列表面局域莫爾條紋的形成，莫爾帶位于旋轉(zhuǎn)界面處的外石墨烯層上，當(dāng)兩個(gè)柵極上的電壓大致為零時(shí)，電阻最大。研究表明傳輸主要由材料中的總自由電荷密度決定，即使柵極感應(yīng)電荷主要集中在外表面。莫爾條紋樣本的相應(yīng)測(cè)量揭示了輸運(yùn)對(duì)選通的更復(fù)雜的依賴性。

圖1 Bernal石墨和莫爾石墨在零場(chǎng)下的比較

圖2 低場(chǎng)磁輸運(yùn)和表面局域態(tài)的獨(dú)立門控

莫爾態(tài)和體態(tài)的混合

作者發(fā)現(xiàn)兩個(gè)表面上的電荷積累層并不直接相互雜化，由最近的柵極獨(dú)立控制。作者發(fā)現(xiàn)通過(guò)掃描單個(gè)門獲得的朗道扇形顯示出兩組不同的量子振蕩（QO）。

t1+Z石墨中的莫爾表面態(tài)在高場(chǎng)下形成Hofstadter帶，它必須順利地演變成整體的伯納爾石墨Landau帶。磁輸運(yùn)測(cè)量表明，無(wú)間隙的體態(tài)仍然延伸到整個(gè)樣品，證實(shí)了它們對(duì)兩個(gè)柵極電壓的依賴性。隨著偏置進(jìn)一步升高，電阻和QO預(yù)測(cè)對(duì)Vgr的依賴程度很弱。觀察結(jié)果表明，當(dāng)偏置較小時(shí)，可以通過(guò)改變Vgr來(lái)?yè)诫s莫爾帶，但當(dāng)偏置較大時(shí)，Bernal面上的表面態(tài)會(huì)屏蔽改變Vgr的影響。

圖3 高場(chǎng)下莫爾條紋和塊狀石墨態(tài)的雜化

莫爾條紋改性

本工作的觀察結(jié)果對(duì)于t1+Z石墨是通用的，因?yàn)榭吹讲煌穸群团で侵g的定性相似性。作者顯示了在B=0.5?T時(shí)獲得的五個(gè)樣品的Rxx和Rxy圖，這些樣品的Bernal石墨成分范圍為Z=6至40 層。對(duì)于較厚的石墨，之字形電阻特征變得越來(lái)越模糊，但仍看到R~xy~中的振蕩似乎與ν的四倍倍數(shù)密切對(duì)應(yīng)。在高場(chǎng)狀態(tài)下，看到t1+6和t1+17樣本的朗道扇形圖投影有類似的演變。

圖4 不同厚度和扭轉(zhuǎn)角石墨薄膜的莫爾條紋改性

審核編輯：湯梓紅