[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究通过扭转角工程，在扭曲双层石墨烯界面实现了原子尺度的可控重构，揭示了由非共格孤子分隔的局域Bernal堆叠结构域。利用透射电子显微镜，研究发现当能带在横向电场作用下发生带隙化时，电子输运沿一维拓扑通道进行，从而在二维范德华异质结构中实现了连续可调性。

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.

研究动机与目标

• 研究扭曲双层石墨烯中范德华界面的原子尺度界面重构。
• 理解层间共格性与层内弹性形变之间的竞争如何决定界面结构。
• 探索通过工程化扭转角是否可诱导可控的原子重构以实现电子结构调制。
• 展示在重构的莫尔超晶格中一维拓扑电子通道的出现。

提出的方法

• 采用透射电子显微镜（TEM）直接成像扭曲双层石墨烯中界面的原子尺度结构。
• 分析了局部堆叠构型，识别出由非共格结构孤子分隔的不同堆叠顺序的Bernal堆叠结构域。
• 施加横向电场以在交替结构域中诱导能带带隙，从而研究电子输运行为。
• 沿结构域边界形成的三角形一维通道网络探测电子输运特性。
• 系统性地控制扭转角，以调控界面重构的周期性和性质。
• 分析莫尔超晶格形成与局域晶格弛豫之间的相互作用，以解释观测到的结构与电子特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在扭曲双层石墨烯的范德华界面，原子尺度重构如何表现？
• RQ2 层间共格性与层内弹性形变在塑造界面结构中各自起什么作用？
• RQ3 是否可通过可控的扭转角诱导二维异质结构中可重复且可调的原子重构？
• RQ4 在施加电场的条件下，重构的莫尔超晶格中会涌现出何种电子输运现象？
• RQ5 界面重构如何实现二维范德华异质结构中电子性质的连续可调性？

主要发现

• 在扭曲双层界面的特定区域中，观察到Bernal堆叠石墨烯结构域的局域共格性。
• 界面由非共格结构孤子分隔，这些孤子将具有不同堆叠顺序的结构域分隔开。
• 电子输运沿结构域边界形成的三角形一维拓扑通道网络被观测到。
• 施加横向电场使交替结构域中的电子能带发生带隙化，从而稳定了一维拓扑通道。
• 原子重构使得通过控制扭转角工程实现电子性质的连续可调成为可能。
• 界面结构源于范德华层间相互作用与层内弹性弛豫之间的竞争。