[论文解读] Flat Bands in Buckled Graphene Superlattices

Yuhang Jiang, Miša Anđelković+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2019

Graphene research and applications参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文展示了在原子级平整基底上，石墨烯单层的受控屈曲可诱导周期性赝磁 场，形成具有平带电子结构的超晶格。通过扫描隧道显微镜和模拟，作者表明这会形成一种具有强关联电子行为的后石墨烯材料，归因于其平带结构，为研究关联驱动的量子现象提供了一个可调谐平台。

ABSTRACT

Interactions between stacked two-dimensional (2D) atomic crystals can radically change their properties, leading to essentially new materials in terms of the electronic structure. Here we show that monolayers placed on an atomically flat substrate can be forced to undergo a buckling transition, which results in periodically strained superlattices. By using scanning tunneling microscopy and spectroscopy and support from numerical simulations, we show that such lateral superlattices in graphene lead to a periodically modulated pseudo-magnetic field, which in turn creates a post-graphene material with flat electronic bands. The described approach of controllable buckling of 2D crystals offers a venue for creating other superlattice systems and, in particular, for exploring interaction phenomena characteristic of flat bands.

研究动机与目标

• 探索如何利用二维材料中的机械应变和屈曲来设计奇异的电子态。
• 研究由横向周期调制诱导的石墨烯超晶格中平带电子态的出现。
• 证明在平坦基底上石墨烯单层的屈曲可产生赝磁场和平带。
• 建立一种可控方法，用于在二维材料中构建具有定制电子特性的类人工超晶格。

提出的方法

• 在原子级平整基底上沉积石墨烯单层，以诱导受控屈曲和横向周期调制。
• 利用扫描隧道显微镜（STM）和谱学（STS）探测局域电子结构和能带色散。
• 采用数值模拟来建模应变诱导的赝磁场和电子能带结构。
• 分析所得赝磁场的周期性调制，以解释平带的形成机制。
• 将实验的STM/STS数据与模拟的能带结构进行对比，以验证平带的出现。
• 将观测到的平带作为具有增强电子-电子关联效应的后石墨烯材料的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 受控屈曲是否能在石墨烯单层中通过周期性应变产生平带电子态？
• RQ2 由此产生的赝磁场如何影响石墨烯超晶格中的电子能带结构？
• RQ3 通过几何控制屈曲图案，平带的平坦度能在多大程度上被调节？
• RQ4 在该工程化石墨烯体系的平带区域，电子-电子相互作用起什么作用？
• RQ5 该方法能否推广至构建其他具有定制电子特性的二维超晶格体系？

主要发现

• 石墨烯在平坦基底上的屈曲形成了具有周期性赝磁场的横向超晶格。
• 扫描隧道谱学揭示了该超晶格结构中存在平带电子态。
• 数值模拟证实，观测到的平带源于应变引起的赝磁场空间调制。
• 平带在实空间中局域化，表明电子局域化增强并具有显著的关联效应。
• 该体系表现出后石墨烯材料的特征，具有实现强关联电子相的潜力。
• 该方法为在无外加磁场的条件下工程化二维材料中的平带提供了可控途径。