氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱致旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象觀測研究獲進展

二維材料范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)近期在二維材料和物理研究領(lǐng)域引起了廣泛的研究興趣。不同的二維材料通過范德華力結(jié)合在一起可以形成不同類型的異質(zhì)結(jié)構(gòu),往往可以表現(xiàn)出單種二維材料所不具備的特性。 

這種人工異質(zhì)結(jié)的出現(xiàn)為研究者有目的性地設(shè)計不同結(jié)構(gòu)以及器件提供了極大的空間。例如垂直隧穿晶體管,二維材料激光器等等。在構(gòu)建二維材料異質(zhì)結(jié)的時候,不同材料之間的相對轉(zhuǎn)角是一個非常重要的參數(shù)。它會對異質(zhì)結(jié)的能帶產(chǎn)生顯著的調(diào)控,從而影響其電學(xué)、光學(xué)等特性。石墨烯/氮化硼是其中一個最典型的代表。石墨烯和六方氮化硼結(jié)合在一起后,石墨烯表面會出現(xiàn)摩爾條紋, 摩爾條紋的周期與二者之間的轉(zhuǎn)角密切相關(guān)。這種摩爾條紋可以看做氮化硼襯底對石墨烯的周期勢調(diào)控,從而導(dǎo)致石墨烯能帶的重構(gòu),例如產(chǎn)生自相似的超晶格子帶,打開石墨烯的能隙等。

 最近幾年,中國科學(xué)院物理研究所研究員張廣宇領(lǐng)導(dǎo)的N07組和國際同行利用輸運、光學(xué)以及掃描隧道顯微鏡等研究手段圍繞石墨烯/六方氮化硼摩爾超晶格體系進行了廣泛深入的研究,并且報道了一系列原創(chuàng)性的成果。但是目前二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)穩(wěn)定性方面仍然缺乏相關(guān)研究。 

物理所研究員張廣宇、時東霞指導(dǎo)的博士生王多明在國際上率先開展了石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)熱力學(xué)穩(wěn)定性方面的研究工作。首先,他們將石墨烯精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到六方氮化硼襯底上,得到隨機堆疊的石墨烯/六方氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度高于100℃時,氮化硼表面的石墨烯會發(fā)生自發(fā)的旋轉(zhuǎn)。他們首先研究了石墨烯同六方氮化硼的相互作用同二者之間角度的變化關(guān)系。結(jié)合第一性原理計算,發(fā)現(xiàn)存在雙穩(wěn)態(tài)。0度時,石墨烯的晶格取向同氮化硼的晶格取向一致,能量最低,是最穩(wěn)態(tài)。30度時,出現(xiàn)體系能量另一個極小值,是亞穩(wěn)態(tài)。后續(xù)的研究表明在0度和30度之間存在一個臨界點,大約為12度。當(dāng)石墨烯同氮化硼之間的轉(zhuǎn)角小于12度時,石墨烯會向0度旋轉(zhuǎn);當(dāng)轉(zhuǎn)角大于12度時,石墨烯會向30度旋轉(zhuǎn)。利用這種熱致旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,通過控制退火溫度以及時間,可以可控地得到0-30度之間任意角度的樣品,為研究摩爾超晶格體系提供了理想的平臺。

 另外,他們也在其他二維材料范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系,如石墨烯／石墨烯、MoS2/六方氮化硼等,發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。這種二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)的自發(fā)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,為研究范德華異質(zhì)界面的穩(wěn)定性和力學(xué)性能提供了新的理解,有望在實現(xiàn)界面超潤滑、調(diào)控二維材料物理性能、構(gòu)造二維界面微納電機械系統(tǒng)等方面得到應(yīng)用。工作發(fā)表在《物理評論快報》(PRL 116, 126101 (2016))上,得到了審稿人以及編輯的高度評價,并且被推薦為該期的亮點文章。 

本工作得到了復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波、陳國瑞在樣品準(zhǔn)備方面以及北京大學(xué)馮濟、李朝愷在理論計算方面給予的大力支持。工作得到了科技部“973”青年項目、國家自然科學(xué)基金委杰青項目以及中科院先導(dǎo)項目(B類)的資助。