伯纳尔石墨和莫尔石墨的传输特性比较

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

由具有相对扭转角的原子级薄范德瓦尔斯晶体堆积形成的莫尔图案可以引起显著的新的物理性质。迄今为止，对莫尔材料的研究仅限于由不超过几个范德瓦尔斯片组成的结构，因为通常认为局域在单个二维界面上的莫尔图案不能显著地改变三维晶体的性质。

有鉴于此，华盛顿大学Matthew Yankowitz等人对通过在薄的块状石墨晶体上轻微旋转单层石墨烯片构建的双门控器件进行了输运测量。作者发现，莫尔势改变了整个体相石墨薄膜的电子性质。在零场和小磁场下，输运是由栅极可调的莫尔和石墨表面态以及不响应栅极的共存半金属体态共同介导的。在高场下，由于石墨的两个最低Landau能带的独特性质，莫尔势与石墨体态发生杂化。这些Landau能带有利于形成单一的准二维混合结构，其中莫尔态和体相石墨态密不可分地混合在一起。

伯纳尔石墨和莫尔石墨的传输

本研究主要集中在扭曲的石墨烯-石墨。首先将伯纳尔石墨与代表性扭曲石墨烯-石墨器件的传输特性进行比较。与在伯纳尔石墨中的观察相反，t1+10样品中的传输根据扫描的栅极而有很大差异，结构的镜像对称性被表面旋转的石墨烯片打破。源于石墨带结构的莫尔条纹重建，标志着一系列表面局域莫尔条纹的形成，莫尔带位于旋转界面处的外石墨烯层上，当两个栅极上的电压大致为零时，电阻最大。研究表明传输主要由材料中的总自由电荷密度决定，即使栅极感应电荷主要集中在外表面。莫尔条纹样本的相应测量揭示了输运对选通的更复杂的依赖性。

图1 Bernal石墨和莫尔石墨在零场下的比较

图2 低场磁输运和表面局域态的独立门控

莫尔态和体态的混合

作者发现两个表面上的电荷积累层并不直接相互杂化，由最近的栅极独立控制。作者发现通过扫描单个门获得的朗道扇形显示出两组不同的量子振荡（QO）。

t1+Z石墨中的莫尔表面态在高场下形成Hofstadter带，它必须顺利地演变成整体的伯纳尔石墨Landau带。磁输运测量表明，无间隙的体态仍然延伸到整个样品，证实了它们对两个栅极电压的依赖性。随着偏置进一步升高，电阻和QO预测对Vgr的依赖程度很弱。观察结果表明，当偏置较小时，可以通过改变Vgr来掺杂莫尔带，但当偏置较大时，Bernal面上的表面态会屏蔽改变Vgr的影响。

图3 高场下莫尔条纹和块状石墨态的杂化

莫尔条纹改性

本工作的观察结果对于t1+Z石墨是通用的，因为看到不同石墨厚度和扭曲角之间的定性相似性。作者显示了在B=0.5 T时获得的五个样品的Rxx和Rxy图，这些样品的Bernal石墨成分范围为Z=6至40 层。对于较厚的石墨，之字形电阻特征变得越来越模糊，但仍看到R~xy~中的振荡似乎与ν的四倍倍数密切对应。在高场状态下，看到t1+6和t1+17样本的朗道扇形图投影有类似的演变。

图4 不同厚度和扭转角石墨薄膜的莫尔条纹改性
 

审核编辑：汤梓红