不同的扭曲：示意图显示该方法如何直接可视化扭曲 2D 材料中局部扭曲角的变化。 新技术揭示了扭曲双层石墨烯局部扭曲角的显着变化。 （由朱S提供）
将二维材料层堆叠在一起并改变它们之间的扭转角会极大地改变它们的电子特性。 诀窍是使扭转角度恰到好处，并知道何时完成。 中国的研究人员现已开发出一种技术，有助于解决这一挑战的第二部分。 通过让科学家直接可视化局部扭曲角的变化，这项新技术揭示了扭曲材料的电子结构，并加速了利用其特性的设备的开发。
石墨烯（一种只有一个Atom厚的二维碳）不具有电子带隙。 一对石墨烯层也不会相互堆叠。 然而，如果将另一种称为六方氮化硼 (hBN) 的二维材料添加到堆叠中，就会出现带隙。 这是因为六方氮化硼的晶格常数（衡量其Atom排列方式的指标）与石墨烯的晶格常数几乎相同，但并不完全相同。 石墨烯和六方氮化硼的稍微不匹配的层形成了一个更大的已知结构，即莫尔超晶格，并且该超晶格中附近Atom之间的相互作用允许形成间隙。 如果层被扭曲，从而进一步错位，则晶格相互作用减弱，带隙消失。
要实现传统材料的这种变化，通常需要科学家改变材料的化学成分。 改变 2D 材料层之间的扭转角度是一种完全不同的方法，相关的可能性启动了一个称为扭转电子学的设备工程新领域。 问题在于扭转角难以控制，如果样品的不同区域包含不均匀分布的扭转角，则样品的电子特性将因位置而异。 这对于高性能设备来说远非理想，因此研究人员一直在探索更精确地可视化这种不均匀性的方法。
一种基于sMIM的新方法
在这项新工作中，中国科学院物理研究所高洪军和朱世宇领导的团队采用了一种名为扫描微波阻抗显微镜（sMIM）的方法，该方法是斯坦福大学沈志勋及其同事最近开发的在美国。 适应的方法包括向样品施加一定范围的栅极电压，并分析 sMIM 数据中不同位置的电导率波动。 “这个过程提供了与莫尔带隙相对应的栅极电压，这表明电子带完全填充，直接揭示了有关莫尔超晶格和局部扭转角的细节，”朱解释道。
当研究人员在同事胡千英、徐杨和胡嘉伟制造的高质量扭曲双层石墨烯样品上测试这种方法时，他们能够直接检测扭曲角的变化。 他们还收集了有关局部区域电导率的信息，并通过施加面外磁场来表征其他电子态，例如量子霍尔态和陈绝缘体。 “我们同时进行了这些测量，”朱指出。 “这使我们能够直接获得不同局部扭转角条件下的量子态信息。”
他补充说，新技术揭示了在几微米的距离内局部扭转角的显着变化，约为 0.3°。 它还使团队能够测量局部电导率，这是使用单电子晶体管测量可压缩性或使用NanoSQUID测量磁场的替代方法无法实现的。 更重要的是，对于绝缘BN层覆盖的扭曲双层石墨烯样品，新方法比传统扫描隧道显微镜具有显着优势，因为它可以穿透绝缘层。
探索新的量子态
“我们的工作揭示了扭曲二维材料域内和域之间的局部扭曲角变化，”朱告诉《物理世界》。 “这加深了我们对样品微观状态的理解，使我们能够解释以前在‘整体平均’测量中观察到的许多实验现象。 它还提供了一种探索宏观难以观察的新颖量子态的方法，从微观角度提供见解。”
他补充说，由于这些测量，扭曲二维材料中局部扭曲角的不均匀性不应再成为研究新型量子态的障碍。 “相反，由于我们观察到局部扭转角的丰富分布，现在应该可以在单个样品中同时比较多个局部扭转角条件和能带结构条件下的各种量子态。”
研究人员现在的目标是将他们的技术扩展到更广泛的扭曲系统和异质结构莫尔系统，例如扭曲双层 MoTe2 和 WSe2/WS2 等材料。 他们还希望进行批量平均测量，并使用新方法将这些结果与本地测量结果进行比较。
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