美国纽约哥伦比亚大学：在2D材料中实现编程扭曲角度和应变分布

一、【导读】

超晶格是一种具有较大周期的、人造的超结构，类似于普通的晶格结构，它也是一种周期性的势垒，会形成迷你能带，实现对材料物性的调制。进入21世纪后，随着石墨烯、六方氮化硼和其他二维材料的发现和兴起，这种原子级厚度的二维材料及其丰富的材料堆垛方式为二维超晶格的发展提供了绝佳机会。其中，最典型的两个代表是2013年兴起的石墨烯/六方氮化硼异质莫尔超晶格和2018年发现的魔角石墨烯。二维转角莫尔超晶格的堆垛结构丰富可调，不论是同质转角体系还是异质转角体系，材料、层数、转角以及衬底都是独立可调的参数。

二、【成果掠影】

扭曲的二维材料中的莫尔条纹超晶格作为实现量子特性的平台引发了巨大的兴趣。然而，莫尔图样对层间原子配位非常敏感，当前的组装技术受到平均扭曲角度控制不精确、局部扭曲角度的空间不均匀性以及由随机应变引起的扭曲的影响。通过原子力显微镜尖端对单层石墨烯带进行平面弯曲，从而在异质和同质叠层中操纵莫尔图样。这种技术实现了扭曲角度的连续变化，改善了扭曲角度的均匀性和减小了随机应变，从而产生具有可调波长和超低无序度的莫尔图样。我们的结果可能实现对超低无序莫尔系统的详细研究，并实现精确应变工程设备的实现。该工作由美国纽约哥伦比亚大学物理系Cory R. Dean团队完成，以标题为：“Programming twist angle and strain profiles in 2D materials”发表在Science上。

三、【核心创新点】

1. 通过以扭曲的方式堆叠单层材料形成的莫尔超晶格能够容纳许多奇特的状态。
2. 将一层带状石墨烯放在六角硼氮上，并使用原子力显微镜的尖端弯曲带状石墨烯的一端。结果得到的结构的扭曲角度从带状石墨烯开始弯曲的点到末端持续增加。

四、【数据概览】

图1. 2D材料的机械弯曲和扭转角度控制。©2023 Science

图2. 可调应变梯度。©2023 Science

图3. 在没有莫尔放大的情况下表征应变。©2023 Science

图4. 超低无序扭曲双层石墨烯。©2023 Science

五、【成果启示】

本文在没有不受控制的扭曲的情况下，精确调整2D异质结构内的扭曲角和应变的能力，为无无序限制的莫尔带结构工程铺平了道路，包括莫尔图案可以用作广义量子模拟平台来研究量子材料中强相关物理和拓扑结构。在弯曲几何中观察到的显著减少的莫尔无序尚未被理解。推测，这可能涉及到晶格弛豫动力学在外部施加的应变场的存在下，但将需要进一步的理论和实验工作，以充分了解这种行为的起源，以及如何利用这种相互作用，以实现新的控制机会。最后，展示的通过局部机械致动实现的可逆平面内弯曲几何形状提供了超越莫尔图案化的广义应变工程的替代方法。

原文详情：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.ade9995