新加坡国立大学 Nat.commun: 石墨烯超级莫尔，从此变得可控

【背景导读】

2018年，美国麻省理工 (MIT) Pablo Jarillo-Herrero教授团队首次实验上在魔角扭曲的双层石墨烯中观察到了一系列电子强关联现象，从不导电的绝缘态到非常导电的超导态。因为其超导相图和高温超导类似，因此有望通过简单的二维原子层间堆叠，来实现对复杂高温超导机制的理解。传统的莫尔超晶格（Moiré superlattice）主要有1个莫尔条纹，而如果由2个莫尔条纹在界面相互作用产生的新结构叫做超级莫尔晶格 (Supermoiré lattice) 。2023年曼城石墨烯大会，Pablo教授将这种由2种莫尔条纹构成的超级莫尔晶格称为 “下一代莫尔量子材料” 。相比传统的单一莫尔，这种超级莫尔拓展了莫尔量子材料的可调节维度，进一步丰富了其物理特性。以石墨烯和氮化硼构成的超级莫尔晶格为例，最近的理论和实验研究表明，即使是单层石墨烯，也可以通过构建超级莫尔晶格，来实现拓扑平带和强关联电子态。因此，超级莫尔的建构，可以实现传统单一莫尔量子材料无法实现的的新功能和新现象。

然而，石墨烯超级莫尔晶格的样品制备，主要面临三方面的技术难题：首先，传统的光学对准强烈依赖石墨烯本身的直边，但是实验上寻找一个拥有直边的石墨烯，是费时且费力的：其次，尽管找到了带直边的石墨烯，但是因为其边缘手性和晶格对称的不确定性，最终只有1/8的低概率得到双对准的超级莫尔晶格；最后，即使最终确定了边缘手性和晶格，实验上对准的误差往往也很大（ > 0.5°），因为把两个不同的晶格材料堆叠对准在一起，是很有挑战的。

【成果掠影】

基于此，新加坡国立大学Ariando教授课题组提出了一系列的技术解决方案，成功实现了单层石墨烯/氮化硼超级莫尔晶格的可控制备。 与此同时，为了确保该技术的产率和精确度，团队提出了光学对准的 “黄金法则”。最后，团队也将这项技术应用于其他强关联电子体系中，实现了多层转角石墨烯超级莫尔晶格的可控制备。相关的研究成果以“Controlled alignment of supermoiré lattice in double-aligned graphene heterostructures”为题发表在Nature Communications.

【核心创新】

1.作者首先通过 “30度旋转” 的技术，实现了顶层氮化硼和中间石墨烯的可控对准；其次，运用 “界面翻转” 的技术，将同一块氮化硼的底层进行折叠，实现了顶层氮化硼和底层氮化硼的可控对准。运用这两项技术，作者成功解决了层间边缘手性和晶格对称性带来的不确定性。

2.作者证明利用近邻石墨块体的边缘作为主晶轴来对准，可以极大地提升产率和样品精度。利用这一技术，作者制备了20个莫尔样品，并且每一个样品的对准精度很好地控制在0. 2°以内。为了更进一步确保这些技术的可靠性和成功率，作者对该技术的使用提出了三大 “黄金法则” 。

3.最后, 作者把该技术拓展到了其他强关联体系中，比如低维转角双层石墨烯和ABC超导相三层石墨烯，实现了多层转角石墨烯和氮化硼的可控对准。

【数据概览】

图1: 30度旋转技术实现了顶层氮化硼和中间石墨烯的可控对准。

图2: 利用近邻石墨块体的边缘作为对准晶轴提升产率和样品精度。

图3：界面翻转的技术实现了顶层氮化硼和底层氮化硼的可控对准。

图4：石墨烯超级莫尔晶格的电学性质。

【成果启示】
综上所述，作者通过三大核心技术，成功解决了石墨烯超级莫尔的样品制备过程中的三大难题，为石墨烯超级莫尔材料的基本物理性质的研究铺平了道路。在二维材料范德华异质结中，边缘手性和晶格对称的不确定性是普遍问题，这为层间堆叠构成莫尔材料造成很大的困扰。因此，本文的技术也可以用于其他的莫尔材料，比如TMD，磁性或者超导二维莫尔量子体系中。作者希望可以通过这些技术，可以真正地帮助到样品制备的研究人员。特别是石墨烯超级莫尔材料的样品制备，从此变得简单。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39893-5