[論文レビュー] Atomic reconstruction at van der Waals interface in twisted bilayer graphene

Hyobin Yoo, Kuan Zhang+12 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2018

Graphene research and applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ねじれ角の制御を用いて、ねじれ二層グラフェン界面における原子スケールの再構成を実現し、局所的なベーナル積層領域が非共鳴的なソリトンで分離されていることを明らかにした。透過電子顕微鏡を用いて、電子的輸送が横方向の電場によってバンドギャップ化された際、1次元のトポロジカルチャネルに沿って発生することを示した。これにより、2次元のファンデルワールスヘテロ構造において連続的な調整が可能になる。

ABSTRACT

Interfaces between crystalline materials have been an essential engineering platform for modern electronics. At the interfaces in two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) heterostructures, the twist-tunability offered by vdW crystals allows the construction of a quasiperiodic moir\'e superlattice of tunable length scale, leading to unprecedented access to exotic physical phenomena. However, these interfaces exhibit more intriguing structures than the simple moir\'e pattern. The vdW interaction that favors interlayer commensurability competes against the intralayer elastic lattice distortion, causing interfacial reconstruction with significant modification to the electronic structure. Here we demonstrate engineered atomic-scale reconstruction at the vdW interface between two graphene layers by controlling the twist angle. Employing transmission electron microscopy (TEM), we find local commensuration of Bernal stacked graphene within each domain, separated by incommensurate structural solitons. We observe electronic transport along the triangular network of one-dimensional (1D) topological channels as the electronic bands in the alternating domains are gapped out by a transverse electric field. The atomic scale reconstruction in a twisted vdW interface further enables engineering 2D heterostructures with continuous tunability.

研究の動機と目的

• ねじれ二層グラフェンにおけるファンデルワールス界面での原子スケールの界面再構成を調査すること。
• 層間の共鳴性と層内弾性歪みの間の競合が、界面構造をどのように決定するかを理解すること。
• 設計されたねじれ角が、電子構造の調整を可能にする制御された原子再構成を誘発できるかを調査すること。
• 再構成されたモアレスーパーラティスにおいて、1次元のトポロジカル電子的チャネルがどのように出現するかを示すこと。

提案手法

• ねじれ二層グラフェンの原子スケールの界面構造を直接画像化するために、透過電子顕微鏡（TEM）が用いられた。
• 研究では、局所的な積層配置を分析し、異なる積層順序を持つ領域を非共鳴的構造的ソリトンが分離していることを同定した。
• 電子的輸送の研究を可能にするために、横方向の電場を印加して交互に領域のバンドギャップを誘発した。
• 界面境界に形成された1次元チャネルの三角形ネットワークに沿って、電子的輸送特性を測定した。
• ねじれ角を系統的に制御することで、界面再構成の周期性および性質を設計した。
• モアレスーパーラティスの形成と局所的格子緩和の相乗効果を分析し、観察された構造的および電子的特徴を説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれ二層グラフェンのファンデルワールス界面における原子スケールの再構成は、どのように現れるか？
• RQ2 層間の共鳴性と層内弾性歪みのどちらが界面構造を支配するか？
• RQ3 制御されたねじれ角が、2次元ヘテロ構造における再現可能で調整可能な原子再構成を誘発できるか？
• RQ4 外部電場を印加した場合、再構成されたモアレスーパーラティスでどのような電子的輸送現象が出現するか？
• RQ5 界面再構成は、2次元ファンデルワールスヘテロ構造における連続的調整をどのように可能にするか？

主な発見

• ねじれ二層界面の特定領域内で、ベーナル積層グラフェン領域の局所的共鳴性が観察された。
• 異なる積層順序を持つ領域を分離する非共鳴的構造的ソリトンによって、界面はセグメント化されている。
• 界面境界に形成された1次元トポロジカルチャネルの三角形ネットワークに沿って、電子的輸送が観察された。
• 横方向の電場を印加することで、交互に領域の電子バンドがギャップ化され、1次元トポロジカルチャネルが安定化した。
• 原子再構成により、ねじれ角の制御による電子的性質の連続的調整が可能になった。
• 界面構造は、ファンデルワールス層間相互作用と層内弾性緩和の間の競合に起因している。