新加坡國立大學 Nat.commun: 石墨烯超級莫爾，從此變得可控

【背景導讀】

2018年，美國麻省理工 (MIT) Pablo Jarillo-Herrero教授團隊首次實驗上在魔角扭曲的雙層石墨烯中觀察到了一系列電子強關聯現象，從不導電的絕緣態到非常導電的超導態。因為其超導相圖和高溫超導類似，因此有望通過簡單的二維原子層間堆疊，來實現對復雜高溫超導機制的理解。傳統的莫爾超晶格（Moiré superlattice）主要有1個莫爾條紋，而如果由2個莫爾條紋在界面相互作用產生的新結構叫做超級莫爾晶格 (Supermoiré lattice) 。2023年曼城石墨烯大會，Pablo教授將這種由2種莫爾條紋構成的超級莫爾晶格稱為 “下一代莫爾量子材料” 。相比傳統的單一莫爾，這種超級莫爾拓展了莫爾量子材料的可調節維度，進一步豐富了其物理特性。以石墨烯和氮化硼構成的超級莫爾晶格為例，最近的理論和實驗研究表明，即使是單層石墨烯，也可以通過構建超級莫爾晶格，來實現拓撲平帶和強關聯電子態。因此，超級莫爾的建構，可以實現傳統單一莫爾量子材料無法實現的的新功能和新現象。

然而，石墨烯超級莫爾晶格的樣品制備，主要面臨三方面的技術難題：首先，傳統的光學對準強烈依賴石墨烯本身的直邊，但是實驗上尋找一個擁有直邊的石墨烯，是費時且費力的：其次，盡管找到了帶直邊的石墨烯，但是因為其邊緣手性和晶格對稱的不確定性，最終只有1/8的低概率得到雙對準的超級莫爾晶格；最后，即使最終確定了邊緣手性和晶格，實驗上對準的誤差往往也很大（ > 0.5°），因為把兩個不同的晶格材料堆疊對準在一起，是很有挑戰的。

【成果掠影】

基于此，新加坡國立大學Ariando教授課題組提出了一系列的技術解決方案，成功實現了單層石墨烯/氮化硼超級莫爾晶格的可控制備。 與此同時，為了確保該技術的產率和精確度，團隊提出了光學對準的 “黃金法則”。 最后，團隊也將這項技術應用于其他強關聯電子體系中，實現了多層轉角石墨烯超級莫爾晶格的可控制備。相關的研究成果以“Controlled alignment of supermoiré lattice in double-aligned graphene heterostructures” 為題發表在Nature Communications.

【核心創新】

1.作者首先通過 “30度旋轉” 的技術，實現了頂層氮化硼和中間石墨烯的可控對準；其次，運用 “界面翻轉” 的技術，將同一塊氮化硼的底層進行折疊，實現了頂層氮化硼和底層氮化硼的可控對準。運用這兩項技術，作者成功解決了層間邊緣手性和晶格對稱性帶來的不確定性。

2.作者證明利用近鄰石墨塊體的邊緣作為主晶軸來對準，可以極大地提升產率和樣品精度。利用這一技術，作者制備了20個莫爾樣品，并且每一個樣品的對準精度很好地控制在0. 2°以內。為了更進一步確保這些技術的可靠性和成功率，作者對該技術的使用提出了三大 “黃金法則” 。

3.最后, 作者把該技術拓展到了其他強關聯體系中，比如低維轉角雙層石墨烯和ABC超導相三層石墨烯，實現了多層轉角石墨烯和氮化硼的可控對準。

【數據概覽】

圖1: 30度旋轉技術實現了頂層氮化硼和中間石墨烯的可控對準。

圖2: 利用近鄰石墨塊體的邊緣作為對準晶軸提升產率和樣品精度。

圖3：界面翻轉的技術實現了頂層氮化硼和底層氮化硼的可控對準。

圖4：石墨烯超級莫爾晶格的電學性質。

【成果啟示】
綜上所述，作者通過三大核心技術，成功解決了石墨烯超級莫爾的樣品制備過程中的三大難題，為石墨烯超級莫爾材料的基本物理性質的研究鋪平了道路。在二維材料范德華異質結中，邊緣手性和晶格對稱的不確定性是普遍問題，這為層間堆疊構成莫爾材料造成很大的困擾。因此，本文的技術也可以用于其他的莫爾材料，比如TMD，磁性或者超導二維莫爾量子體系中。作者希望可以通過這些技術，可以真正地幫助到樣品制備的研究人員。特別是石墨烯超級莫爾材料的樣品制備，從此變得簡單。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39893-5