低角度扭曲双层石墨烯的异常导电性

材料科学家可以控制材料的层间扭曲角，从而提供一种强大的方法来调整二维 (2-D)范德华材料的电子特性. 在此类材料中，由于相邻层之间的耦合增强，导电率将随着扭曲角的减小而单调(持续)增加。在一份新报告中，Shuai Zhang 和功能材料、工程、纳米系统和摩擦学的一组科学家描述了一种跨包含低扭曲角的双层石墨烯界面的非单调角度相关垂直电导率的设置。垂直电导率随着扭转角的减小而逐渐增强，但在扭转角进一步减小后，材料的电导率显着下降。科学家们使用密度泛函理论(DFT) 计算和扫描隧道显微镜揭示了异常行为(STM) 并将结果归因于源自局部原子重建的平均载流子密度的异常降低。由于范德华相互作用能和界面处的弹性能之间的相互作用，可以发生原子重建，从而产生有趣的结构。原子重建对低角度扭曲二维范德华材料的垂直电导率的影响显着;提供了一种设计和优化其电子性能的新策略。

调整二维材料的电子特性

材料科学家已经展示了改变层间扭曲角的方法，以提供一种有效的策略来调整范德华结构的电子特性。最近的实验揭示了二维范德华结构(例如石墨烯/石墨烯或石墨烯/石墨结)的层间电导率如何随着扭曲角的增加而单调降低。研究人员可以使用声子介导的层间传输机制来解释这种单调角度相关的层间电导率。除了层间电导率，垂直电导率可以使用电导原子力显微镜来探测(c-AFM)，结果显示了具有大扭曲系统的各种二维材料的相似趋势。最近对低角度扭曲双层石墨烯 (TBG) 的研究表明，竞争性范德华相互作用和面内弹性会影响石墨烯的局部原子级重建，以揭示非常规的电子特性，如超导性、相关绝缘体和自发铁磁性。因此，研究扭曲双层石墨烯 (TBG) 的垂直电导率并了解它如何随扭曲角演变在科学上很有趣。

研究扭曲双层石墨烯 (TBG) 的垂直电导率

在实验过程中，Zhang 等人。使用厚六方氮化硼(h-BN) 薄片作为基材，并使用化学气相沉积生长双层石墨烯. 在这些样品中，石墨烯的底层形成了连续的多晶薄膜，而石墨烯的顶层仍然是单晶石墨烯岛。这种独特的样品结构使他们能够研究具有广泛扭曲角的大量扭曲双层石墨烯域。在导电 AFM 测量期间，该团队在导电探针和薄膜之间施加了恒定的偏置电压，以连续监测装置中的电流。随着扭曲角的减小，科学家们注意到扭曲双层石墨烯的垂直电导率下降，这与之前研究中观察到的单调角相关电导率明显不同。

为了探索这个不寻常的特征，Zhang 等人。对更多 TBG 样品进行了测量。当扭转角从 120 度降低到 5 度时，TBG 的电导率逐渐增加，与之前的报道一致. 然而，当扭转角降至 5 度以下时，该团队注意到电导率异常降低。为了排除六方氮化硼基板的影响，他们将单层石墨烯以可控的低扭曲角转移到石墨表面，并使用c-AFM(导电原子力显微镜)测量垂直电导率，观察到类似的不寻常的结果。然后，当扭曲角低于 5 度时，该团队以更精细的分辨率进行了电导率测量，以检查电导率异常下降的原因。

为了理解复杂性，他们使用 STM(扫描隧道显微镜)实验对具有低扭曲角(范围从 0.6 度、1.1 度到 3.3 度)的扭曲双层石墨烯样品进行了更高分辨率的莫尔和亚莫尔尺度结构表征。莫尔超晶格是由具有扭曲角和/或晶格失配的二维层堆叠而成的结构。根据 STM 测量，当扭曲角从 3.3 度减小到 0.6 度时，扭曲双层石墨烯表面的局部态密度降低。双层石墨烯是一种半金属，可以采用所谓的“AB-堆叠结构”或罕见的“AA-堆叠结构”– 预计彼此会有很大不同。在这种情况下，扭曲双层石墨烯中具有低和高电导率的区域分别近似对应于 AB-/BA- 和 AA-堆叠区域。

理论计算

张等人。还进行了理论计算，以了解莫尔超晶格结构和局部重建如何导致异常的垂直电导率。在所有情况下，与 AB 堆叠区域相比，AA 堆叠区域显示出更好的导电性。该团队通过模拟量化了电导率随扭曲角的变化，以重现实验观察结果。科学家们还研究了石墨烯-石墨烯层间电导率，以了解交叉行为的起源。使用DFT(密度泛函理论)计算，他们发现AA堆叠区域的存在提高了局部载流子密度，这种现象是由于莫尔超晶格结构中AA堆叠区域中更高的局部载流子容纳而产生的。

外表

这样，扭曲双层石墨烯(TBG)的垂直输运特性可以由两个因素决定：包括表面载流子密度和层间隧道势垒。高载流子密度和低隧道势垒对于高导电性都是必不可少的。Shuai Zhang 及其同事以 TBG 为例，发现范德华异质结构的垂直电导率表现出对扭曲角的非单调依赖性。当扭曲角达到低于 5 度的阈值时，由于载流子密度的显着下降，垂直电导率异常下降。研究结果强调了原子重建对二维界面垂直电导率的影响。这项工作为优化绞合线的电气性能提供了指导。光电领域的双层石墨烯和其他二维范德华结构。