清華物理系周樹(shù)云研究組在范徳華異質(zhì)結(jié)研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)8月29日電 清華大學(xué)物理系周樹(shù)云研究組在《自然物理》(Nature Physics)期刊在線發(fā)表題為《石墨烯／氮化硼異質(zhì)結(jié)中的第二級(jí)狄拉克錐和空間反演對(duì)稱性破缺形成的能隙》(“Gaps induced by inversion symmetry breaking and second-generation Dirac cones in graphene/hexagonal boron nitride”)的研究論文。 本項(xiàng)研究首次直接測(cè)量到石墨烯/氮化硼的原始和第二級(jí)狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)，并且在狄拉克錐處發(fā)現(xiàn)高達(dá)160 meV和100 meV的能隙，從而揭示了空間反演對(duì)稱性破缺在石墨烯／氮化硼異質(zhì)結(jié)的能隙和能帶調(diào)控中的重要性，展示了范德華異質(zhì)結(jié)豐富的物理特性。

(a) 角分辨光電子能譜直接測(cè)量到的第二級(jí)狄拉克錐。(b)石墨烯的原始狄拉克錐和第二級(jí)狄拉克錐能帶示意圖。

近年來(lái)，以石墨烯為代表的二維材料因其豐富的物理特性和廣泛的應(yīng)用前景，吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。目前，二維材料領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向是把單一材料的研究擴(kuò)展到由多種材料堆疊組成的人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)。通常稱這種由不同的二維材料通過(guò)弱范徳華作用力形成的人工新結(jié)構(gòu)為范徳華異質(zhì)結(jié)。在范徳華異質(zhì)結(jié)中，晶格失配導(dǎo)致的超晶格周期勢(shì)場(chǎng)對(duì)二維材料的能帶結(jié)構(gòu)起到重要的調(diào)制作用，使其呈現(xiàn)出單個(gè)材料所不具有的新奇量子現(xiàn)象。

在范徳華模型體系石墨烯／氮化硼中，1.8%的晶格失配產(chǎn)生了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)～14nm的緩慢變化的周期勢(shì)，直接導(dǎo)致在石墨烯原有的狄拉克錐下方產(chǎn)生新的（第二級(jí)）狄拉克錐，從而導(dǎo)致了具有自相似遞歸能譜的Hofstadter（霍夫施塔特）蝴蝶態(tài)和拓?fù)潆娏鞯刃缕媪孔有?yīng)的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。然而，由于缺乏直接的能帶測(cè)量結(jié)果，石墨烯／氮化硼體系中的若干關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，例如超晶格周期勢(shì)場(chǎng)是如何調(diào)制其能帶結(jié)構(gòu)，以及是否存在空間反演對(duì)稱性破缺導(dǎo)致的能隙等，仍然存在著廣泛的爭(zhēng)議。

周樹(shù)云研究組最近利用角分辨光電子能譜，首次在外延生長(zhǎng)的具有零度轉(zhuǎn)角的石墨烯／氮化硼異質(zhì)結(jié)中得到了高分辨率的能帶結(jié)構(gòu)，直接揭示了第二級(jí)狄拉克錐的能譜，并且證實(shí)在石墨烯的原始狄拉克錐和第二級(jí)狄拉克錐處均存在能隙。該工作揭示了空間反演對(duì)稱性破缺在異質(zhì)結(jié)能隙和能帶調(diào)控中的重要性，為理解該模型范徳華異質(zhì)結(jié)的新奇量子物理提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

清華大學(xué)物理系周樹(shù)云為論文通訊作者，主要合作者包括中國(guó)科學(xué)院物理所張廣宇研究組、復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波研究組。第一作者為清華大學(xué)物理系博士生王二印（負(fù)責(zé)角分辨光電子譜測(cè)量）和中科院物理所張廣宇研究組博士生盧曉波（負(fù)責(zé)樣品制備）。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部和清華大學(xué)自主科研計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。

文章全文鏈接：http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3856.html

供稿：物理系 編輯：李華山