石墨烯中可调谐的晶体对称性可实现纳米机电传感器

石墨烯层上方和下方的氮化硼（BN）层受控旋转的图示说明了共存的莫尔条纹超晶格，其随着角度的变化而改变尺寸，对称性和复杂性。在该系统中，哥伦比亚研究人员通过机械旋转对准底部BN平板的石墨烯上方的氮化硼，从而在单个设备中实现了对单层石墨烯能带结构的空前控制。

哥伦比亚研究人员发明了一种通过调整2D材料之间的扭曲角度来调整其性能的新方法。这项技术推动了纳米机电传感器的开发，并将其应用于天文学，医学，搜索和救援等领域。

James Hone（机械工程）和Cory Dean（物理）的实验室最近进行的一项研究表明，可以通过简单地调整它们之间的扭曲角度来调整二维（2D）材料的特性的新方法。研究人员制造了一种器件，该器件由封装在氮化硼的两个晶体之间的单层石墨烯组成，并且通过调节各层之间的相对扭转角，它们能够创建多个莫尔图案。

莫尔图案对凝聚态物理学家和材料科学家非常感兴趣，他们使用它们来改变或产生新的电子材料特性。这些图案可以通过对准氮化硼（BN，绝缘体）和石墨烯（半金属）晶体来形成。当这些原子的蜂窝状晶格接近对齐时，它们会形成莫尔条纹超晶格，这是一种看起来像蜂窝状的纳米级干涉图样。该莫尔超晶格改变了石墨烯中导电电子的量子力学环境，因此可以用来对所观察到的石墨烯电子性质进行重大改变。

迄今为止，大多数关于莫尔超晶格在石墨烯-BN系统中的影响的研究都集中在单个界面上（考虑了石墨烯的顶面或底面，但未同时考虑两者）。但是，Hone和Dean去年发表的一项研究表明，可以在单个设备中对两个接口之一进行完全旋转控制。

通过设计一种在一个界面上具有永久对齐并且在另一个界面上具有可调对齐的设备，哥伦比亚研究小组现在已经能够研究多个莫尔超晶格电势对石墨烯层的影响。

“我们决定在单个纳米机械设备中同时研究石墨烯的顶面和底面，”内森·芬尼（Nathan Finney）博士说。是Hone实验室的学生，也是该论文的第一作者之一，该论文于2019年9月30日在网上发表，由Nature Nanotechnology出版，现在是11月印刷版的封面故事。“我们有这样的预感，通过使用顶部和底部界面上同时存在的莫尔超晶格，我们有可能将莫尔超晶格的强度加倍。”

研究小组发现，从观察到的石墨烯的电子性质发生重大变化可以推断出，扭曲层的角度使它们能够控制莫尔超晶格的强度及其整体对称性。

在接近对准的角度，出现了高度变化的石墨烯能带结构，在共存的非重叠长波长莫尔条纹图案的形成中可以观察到。完美对齐后，石墨烯的电子间隙会大大增强或受到抑制，具体取决于顶部可旋转BN是扭曲0度还是扭曲60度。电子间隙的这些变化与两种对准配置的预期对称性变化相对应：反转对称性在0度时破裂，反转对称性在60度时恢复。

Finney指出：“这是任何人第一次看到一个设备中同时存在的莫尔超晶格的完全旋转依赖性。”“对莫尔超晶格的对称性和强度的这种控制程度可以普遍应用于我们现有的全部2D材料清单。这项技术推动了纳米机电传感器的开发，并将其应用于天文学，医学，搜索和救援等领域。”

现在，研究人员正在改善扭曲各种2D材料单层的能力，以研究缺乏反演对称性的系统中的奇特效应，例如超导性，拓扑感应的铁磁性和非线性光学响应。

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参考：Nathan R. Finney，Matthew Yankowitz，Lithurshanaa Muraleetharan，K.Watanabe，T.Taniguchi，Cory R.Dean和James Hone，Nano Nanotechnology，“石墨烯-氮化硼异质结构中的可调谐晶体对称性与莫尔超晶格共存”，2019年9月30日。 DOI：
0.1038 / s41565-019-0547-2