作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 不同扭转角下TBG电导率的测量
(一)碳-原子力显微镜测量不同扭转角的氢氮化硼基底上双层石墨烯垂直电导率的示意图
在导电尖端和底部石墨烯膜之间施加恒定的偏压
晶界
在双层石墨烯上测量的典型电流图像显示具有不同扭转角的畴(1
1 , 3
0，且> 0。12)在10毫伏的偏压下
比例尺，20纳米
(3)典型的电流线轮廓，从扭转角为1°的不同区域测量
1 , 3
0，且> 0。12个
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
abc5555 材料科学家可以控制材料的层间扭转角，为调整二维范德瓦尔斯材料的电子性质提供一种强有力的方法
在这种材料中，由于相邻层之间的耦合增强，电导率将随着扭转角的减小而单调(恒定)增加
在一份新的报告中，张帅和一组来自中国的功能材料、工程、纳米系统和摩擦学领域的科学家描述了一种非单调的角度相关垂直电导率设置，该设置跨越包含低扭转角的双层石墨烯的界面
随着扭转角的减小，垂直电导率逐渐增大，但扭转角进一步减小后，材料的电导率明显下降
科学家们使用密度泛函理论计算和扫描隧道显微镜揭示了这种异常行为，并将结果归功于源于局部原子重建的平均载流子密度的异常降低
由于范德华相互作用能和界面处的弹性能之间的相互作用，原子重构可以发生，导致有趣的结构
原子重构对低角度扭曲二维范德瓦尔斯材料的垂直电导率有显著影响；为设计和优化其电子性能提供了新的策略
调整二维材料的电子性质 材料科学家已经展示了改变层间扭转角的方法，以提供一种有效的策略来调节范德瓦尔斯结构的电子特性
最近的实验揭示了二维范德瓦尔斯结构(如石墨烯/石墨烯或石墨烯/石墨结)的层间电导率如何随着扭转角的增加而单调下降
研究人员可以用声子介导的层间传输机制来解释这种单调的角度相关的层间电导率
除了层间电导率之外，可以使用电导原子力显微镜(c-AFM)来探测垂直电导率，其中结果显示了具有大扭曲系统的不同二维材料的类似趋势
最近对低角度扭曲双层石墨烯(TBG)的研究表明，竞争性范德瓦尔斯相互作用和面内弹性的影响影响石墨烯的局部原子尺度重构，以揭示非常规电子性质，如超导性、相关绝缘体和自发铁磁性
因此，研究扭曲双层石墨烯(TBG)的垂直电导率并了解它如何随着扭曲角而演变，在科学上很有意思
垂直电导率对扭转角的依赖性
给出了归一化电流与TBG/氢氮化硼扭转角之间的关系
从相同的当前图像中同时获得具有相同符号颜色和形状的数据
插图显示了在石墨上扭曲石墨烯上获得的电流和扭曲角之间的关系，其中电流值由扭曲角为0°的双层石墨烯的平均电流值归一化
误差条表示每个图像中当前信号的标准偏差
a
u
，任意单位
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abc5555 扭曲双层石墨烯的垂直电导率研究(TBG) 在实验过程中，张等人
使用厚的六方氮化硼薄片作为衬底，使用化学气相沉积法生长双层石墨烯
在这些样品中，底层石墨烯形成了连续的多晶薄膜，而顶层石墨烯仍然是单晶石墨烯岛
这种独特的样品结构使他们能够研究大量具有大范围扭转角的扭曲双层石墨烯畴
在导电原子力显微镜测量过程中，研究小组在导电探针和薄膜之间施加恒定的偏置电压，以连续监控装置中的电流
随着扭转角的减小，科学家们注意到扭转双层石墨烯的垂直电导率下降，这与以前研究中观察到的单调角度相关电导率明显不同
探索扭曲双层石墨烯(TBG)中的反常扭曲角依赖性 电导率和结构随扭转角的演变
(一)在TBG测量的典型电流分布图，跨越两个域(一个域的扭转角大于；12，另一个域的扭转角为2°
9 , 1
5 , 0
9 , 0
8和0
6个)
(乙和丙)典型的电流图像从TBG获得扭转角为2
9和0
6个
AA堆叠区域用黑色圆圈标记
比例尺，10纳米
(从D到F)示意图显示了TBG原子在不同扭转角下的堆积，以及原子在AA、AB和BA堆积时的构型
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abc5555 为了探索这一不寻常的特征，张等人
对更多TBG样本进行测量
当扭转角从120度减小到5度时，TBG电导率逐渐增加，与以前的报道一致
然而，当扭转角下降到5度以下时，研究小组注意到电导率异常下降
为了排除六方氮化硼基底的影响，他们将单层石墨烯以可控的低扭转角转移到石墨表面，并使用c-AFM(导电原子力显微镜)测量垂直电导率，以观察类似的异常结果
研究小组随后进行了分辨率更高的电导率测量，以检查当扭转角低于5度时电导率异常下降的原因
为了理解其复杂性，他们使用扫描隧道显微镜(STM)实验对扭曲双层石墨烯样品(扭曲角范围从0
6度，1
1度到3度
3度)
莫尔超晶格是由具有扭曲角和/或晶格失配的二维层堆叠而成的结构
根据扫描隧道显微镜测量，扭曲双层石墨烯表面的局域态密度随着扭曲角从3°减小而减小
3度到0度
6度
双层石墨烯是一种半金属，可以采用所谓的“AB堆叠结构”或罕见的“AA堆叠结构”——这两种结构预计会有很大不同
在这种情况下，扭曲双层石墨烯中具有低和高电导率的区域分别近似对应于AB-/BA-和AA-堆叠区域
莫尔和亚莫尔尺度结构的扫描隧道显微镜表征
(一)三个典型的3D高度图像，在TBG测量，扭转角为0°
6 , 1
1和3
3，分别为
(二)在TBG测量的四个典型高度剖面，跨越两个区域(一个区域的扭转角大于；12，另一个区域扭转角为3°
3 , 2
3 , 1
1和0
6个)
在扭转角为1°的TBG上测量的亚莫尔尺度结构的高分辨率特征
一
比例尺，2纳米
(四)傅里叶变换图案(上图)、傅里叶滤波原子分辨图像(中图)和相应的原子堆积结构示意图(下图)，分别用于原子堆积区、原子堆积区和原子堆积区
比例尺，5
扫描隧道显微镜测量是在恒流模式下进行的，偏置电压为50毫伏
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abc5555 理论计算 张等
还进行了理论计算，以了解莫尔超晶格结构和局部重构如何导致异常的垂直电导率
在所有情况下，与包层区相比，叠层区表现出更好的导电性
研究小组通过模拟量化了电导率随扭转角的变化，以重现实验观察结果
科学家们还研究了石墨烯-石墨烯层间的导电性，以了解交叉行为的起源
使用密度泛函理论的计算，他们发现存在AA-堆叠区域来增强局部载流子密度，这种现象是由于在莫尔超晶格结构中AA-堆叠区域中更高的局部载流子调节而出现的
TBG电导率、载流子密度和原子构型随扭转角的演化
(一)碳-原子力显微镜模拟模型示意图
扭转角为0°、3°的三丁基锡化合物的模拟局部电导率图
5 , 4
7 , 5
5和11
计算不同扭转角时顶层石墨烯的平均尖端/TBG结电导率、TBG层间电导率和平均载流子密度
用弛豫和刚性原子堆积结构计算的莫尔超晶格中AA堆积区的归一化面积分数
插图显示了扭曲角为3°的TBG弛豫后的面内原子位移
5
虚线被示意性地画出以突出趋势
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abc5555 前景 这样，扭曲双层石墨烯(TBG)的垂直输运性质可以由两个因素决定:包括表面载流子密度和层间隧道势垒
高载流子密度和低隧道势垒对于高导电性都是至关重要的
张帅和他的同事以TBG为例，发现范德瓦尔斯异质结构的垂直电导率与扭转角呈非单调关系
当扭转角达到低于5度的阈值时，由于载流子密度显著下降，垂直电导率异常下降
研究结果强调了二维界面中原子重构对垂直电导率的影响
该工作为优化扭曲双层石墨烯和其他二维范德瓦尔斯结构在光电领域的电学性能提供了指导
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