利用莫尔超晶格提升石墨烯电子性能!

【研究背景】

二维材料是指由单层或少层原子组成的材料，因其在电子、光学和量子器件等领域的广泛应用而备受关注。与传统的三维材料相比，二维材料具有独特的物理性质，如可调的电子带结构、强烈的量子限制效应等。然而，二维材料在调控其电子和光学特性时，仍然存在一些局限性，尤其是在堆叠顺序和扭转角的精确控制方面，导致带结构的调控难度较大，从而带来了器件设计和性能优化的挑战。

近日，来自西湖大学理学院徐水钢课题组团队在二维材料的带结构工程研究中取得了新进展。该团队利用菱形堆叠的过渡金属二硫化物（WSe2），通过控制扭转角设计出了一种远程莫尔铁电性超晶格。这一设计将莫尔构建层与电子传输层分离开来，成功解决了传统莫尔超晶格中材料选择受限的问题。通过该方法，他们显著提高了双层石墨烯的电子性能，获得了可调的卫星电阻峰，并首次实现了通过扭转角调控莫尔超晶格的远程效应。

利用远程铁电莫尔超晶格，该团队成功在双层石墨烯中构建了可调的电子带结构，并通过电阻峰的变化证明了莫尔铁电性在双层石墨烯中的有效传递。这一结果为二维材料的带结构调控提供了新的策略，展示了通过莫尔铁电性工程化二维材料性能的巨大潜力。

【表征解读】

本文通过多种表征手段深入研究了远程莫尔相互作用对二维材料的影响，揭示了其在带结构和拓扑特性调控中的潜力。我们采用原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）和非线性光学测量等技术，全面表征了所构建的异质结构和莫尔超晶格，从而发现了诸多重要特性。

首先，在材料表征方面，利用AFM对机械剥离的WSe₂和石墨烯的层数进行了初步鉴定，并通过拉曼光谱和光致发光（PL）进一步确认了其结构特性。通过切割和堆叠技术组装的异质结构展示了高质量的界面，这为后续的电输运测量奠定了基础。我们在电输运实验中观察到的现象表明，弱莫尔势能的存在可以有效地稳定量子异常霍尔晶体和分数量子异常霍尔相，这一发现为探索相关拓扑态提供了新的途径。

针对莫尔势能的微观机理，我们开展了相应的相位测量，利用压电力显微镜（PFM）对材料的极性特性进行了评估。这些测量揭示了在不同莫尔波长下，材料的电学性能如何受到远程相互作用的影响。这些实验结果表明，控制莫尔波长和势能强度的策略能够调节二维材料中的关联现象，从而实现对拓扑态的精确控制。

此外，TEM表征为我们提供了对异质结构内部形貌和晶体质量的深入了解。在制作h-BN/扭转双层WSe₂/h-BN结构的过程中，通过保护薄层h-BN的使用，显著减少了材料在转移过程中的应变。这一过程的成功实施为高分辨率成像和电子衍射实验奠定了基础，帮助我们更好地理解材料的微观结构。

在探讨非线性光学特性的过程中，通过二次谐波生成（SHG）测量，我们发现平行扭转的WSe₂具有非中心对称结构，进一步验证了莫尔结构对光学特性的影响。这一发现不仅深化了我们对材料性质的理解，还为新型光电子器件的开发提供了理论依据。

【图文速递】

图1：通过远程莫尔铁电性在双层石墨烯中构建的可调超晶格。

图2：通过扭转角为60° + 0.61°的双层扭曲WSe2对双层石墨烯进行带结构工程（设备D1）。

图3：在有限位移场下的铁电滞后现象。

图4：在设备D2中，铁电莫尔超晶格与常规莫尔超晶格的共存。

【科学启迪】

本研究为探索二维材料中远程莫尔相互作用提供了新的视角，揭示了其在调控带结构和拓扑特性方面的重要潜力。通过在目标电子材料上印刻莫尔铁电势，研究者们成功构建了异质结构，形成了不同对称性的莫尔超晶格。这一技术不仅保留了目标层的高质量，而且为未来在其他极性二维绝缘体中应用提供了可能性，拓宽了研究的广度。

特别是研究表明，弱的远程莫尔超晶格可以稳定量子异常霍尔晶体和分数量子异常霍尔相，从而为探索相关的拓扑态提供了新的平台。通过调整远程过渡金属二硫化物的扭转角度和厚度，研究者能够精准控制莫尔势的周期和强度，进而调节系统的电子性质。这种策略为研究相关拓扑态和构建新型带结构提供了可行的途径，展示了在复杂的二维材料体系中进行精确调控的巨大潜力。这些发现不仅为材料科学领域的研究提供了新的方向，同时也为开发新型电子器件奠定了基础。

参考文献：Ding, J., Xiang, H., Zhou, W. et al. Engineering band structures of two-dimensional materials with remote moiré ferroelectricity. Nat Commun 15, 9087 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53440-w