石墨是地球上最古老的礦物質(zhì)之一，也作為神奇材料石墨烯的母材料而得到很多關(guān)注。近日，曼徹斯特大學(xué)物理與天文系A(chǔ)rtem Mishchenko教授團隊在石墨研究中再次取得重大進展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在最新一期Nature [1]雜志上。石墨雖然只具有由蜂窩狀碳原子排布形成的晶體結(jié)構(gòu)，但其復(fù)雜性卻遠遠超乎我們的想象。在石墨結(jié)構(gòu)中，不同單原子層之間的堆疊次序會產(chǎn)生不同類型的石墨 -- 常見的堆疊次序包括六方石墨(hexagonal graphite)和菱方石墨(rhombohedral graphite)。其中，菱方石墨在自然界中更為罕見(通常只有不到15%的自然石墨具有菱方堆疊)。Mishchenko教授團隊曾對菱方石墨特異的電子輸運性能進行過深入研究，相關(guān)工作于2020年發(fā)表在Nature [2]雜志上。此外，該團隊也同樣報道過通過范德華技術(shù)調(diào)控石墨中的堆疊次序 [3]，為研究石墨體系提供了極具價值的實驗技術(shù)。相比之下，六方石墨是更為普遍存在的石墨礦產(chǎn)，也因此讓它成為最“普通”的材料之一。通常，在石墨晶體表面處會由于晶格的周期性排列被擾亂而產(chǎn)生表面態(tài)，表面態(tài)深入石墨塊體時會不斷消逝。但如何控制石墨表面態(tài)，以及表面態(tài)如何影響石墨內(nèi)部長程電子輸運性能，仍有待解決。范德華異質(zhì)結(jié)和魔角石墨烯是二維材料研究中兩個如火如荼的領(lǐng)域。通過將具有特異性能的二維材料組裝成異質(zhì)結(jié)，或者將石墨烯以特定的角度堆疊而形成莫爾超晶格，研究人員在這些體系中發(fā)現(xiàn)了不計其數(shù)超乎我們預(yù)期的新現(xiàn)象和新物理，也因此極大推動了這兩個領(lǐng)域在近年來的迅速發(fā)展。Mishchenko教授團隊巧妙利用這兩大利器：將范德華技術(shù)從二維體系應(yīng)用到三維石墨體系中，并利用石墨與六方氮化硼界面的莫爾超晶格來調(diào)控石墨中如萬花筒般隨摻雜狀態(tài)不斷變化的表面態(tài)，揭示石墨體系中不同尋常的新物理(圖1)。
(a) 對齊和不對齊界面的莫爾界面示意圖，(b) 器件光學(xué)圖像該團隊研究發(fā)現(xiàn)，莫爾勢能對石墨的調(diào)控不僅局限于表面態(tài)，而是會貫穿整個石墨塊體，影響其整體的電子性能。這有些類似于豌豆公主的故事，隔著20床床墊和羽絨被，豌豆公主依然可以感受到一小顆豌豆帶來的不適。在石墨中，界面處的莫爾勢能夠透過40余原子層而調(diào)控整個石墨內(nèi)部的電子性能。這項工作深入研究了六方石墨在與六方氮化硼產(chǎn)生的莫爾超晶格對其性能的影響。其中非常重大的發(fā)現(xiàn)是觀察到在石墨中，介于二維和三維之間，2.5維度表面態(tài)和本征態(tài)的混合，這一混合通過一種新型的分形量子霍爾效應(yīng)(fractal quantum Hall effect)展示出來，可以稱之為2.5維度的Hofstadter蝴蝶(圖2)。圖2 | 石墨體系中的2.5維Hofstadter蝴蝶值得一提的是，Mishchenko教授也是石墨中2.5維量子霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者 [4]。通常，量子霍爾效應(yīng)被認為只存在于二維體系中，而他是首位在準三維材料石墨中觀察到霍爾量子效應(yīng)，并打破這一傳統(tǒng)認知的人。他說，“作為石墨烯的母材料，石墨顯得格外低調(diào)，也因此并不被研究者重視。但隨著我們對石墨不斷深入的研究，隨著對石墨認知的積累，我們也越來越被這個體系所吸引，還有很多興奮的問題值得我們探索”。本文的一作，Ciaran Mullan補充道，“我們的工作開啟了將扭角二維體系擴展到三位體系的先河，為調(diào)控這些材料的電子輸運性能提供了新機遇”。本文的另外一位通訊作者是南京航空航天大學(xué)殷俊教授，他在曼大工作期間指導(dǎo)并參與了該研究的大量工作。目前，該團隊(www.2dmatters.com)仍然在不斷推進對石墨體系的研究，深入理解石墨這種普通但又充滿魅力的古老材料。1. Nature, DOI 10.1038/s41586-023-06264-5 (2023)2. Nature 584, 210–214 (2020)3. Nano Lett. 19, 8526–8532 (2019)4. Nature Physics 15, 437–442 (2019)原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06264-5
