超火！这类材料2020年已经发表20+Nature/Science

近年来，二维材料由于其在下一代电子学中强烈的应用前景得到了广泛关注。大面积二维材料的合成制备与晶圆集成，以及二维电子器件背后的物理机制，都是目前研究的热点问题。与此同时，对二维材料的研究也存在诸多难点。我们列举了2020年发表在Nature和Science上关于二维材料的研究性工作，供大家一起交流学习。

Nature 17篇

二维材料的制备合成

1. 将非范德华固体转变为过渡金属硫化物

当前虽然有很多关于二维层状材料生长的报道，但是这些采用自下而上手段制备的薄膜材料结构相往往不可控。相比之下，可以引入自上而下的手段，根据结构确定的体相来制备对应的二维相。当前虽然也有基于机械剥离手段制备的薄层二维材料，但是得到的二维纳米晶往往继承了体相化合物的元素组成、化学计量比等性质。
来自美国莱斯大学的Pulickel M. Ajayan，北京理工大学的杨树斌等，在他们的工作中证明了另一种二维纳米片的制备方法：基于过渡金属碳化物和氮化物的非层状MAX相制备具有大量暴露表面和特征相的二维纳米晶。通过一种拓扑转换反应（MAX+HyZ(gas)→MZ+AZ），将MAX材料暴露于含硫族元素的气体或蒸气中，并控制反应过程中的焓和蒸气压，得到了具有超高单层率的二维材料。另一方面，研究人员发现杂质原子的掺杂（<1％）可以稳定单层过渡金属硫族化物，可以解决二维材料在环境中的不稳定性。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1904-x

2. 基于二维半导体6LiInP2S6的直接热中子探测

中子探测器在国家安全、医学、晶体学和天文学等领域中都有重要应用。当前主要采用的中子探测主要有3He气体正比计数器和闪烁探测器，通常体积巨大。对此，基于具有高中子捕获能力的6Li同位素，来自西北大学和阿贡国家实验室的Mercouri G. Kanatzidis团队证明了6LiInP2Se6基中子探测器。通过生长大尺寸6LiInP2Se6单晶，得到的中子探测器实现了对241Am α-粒子的检测，并具有13.9%的能量分辨率，极大推动了便携中子探测器的发展。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1886-8

3. 晶圆级单晶六方氮化硼在Cu(111)上的生长

超薄二维材料由于其极小的特征尺寸，被认为在拓展摩尔定律，提升集成度方面有极大潜力。目前在二维半导体器件中，关键问题在于避免邻近电介质带来的电荷散射和缺陷位点。六方氮化硼（hBN）作为绝缘范德瓦尔斯材料，可以提供优良的介电特性与界面特性，有效减少电荷散射。然而，hBN的晶圆级生长是不可避免的难题。
针对晶圆级hBN的生长，来自台积电的Lain-Jong Li，国立交通大学的Wen-Hao Chang以及美国莱斯大学的B. I. Yakobson等，利用磁控溅射和热退火技术，在蓝宝石晶圆上生长了Cu（111）单晶薄膜，并在其上成功外延生长得到了单晶六方氮化硼单层膜。基于第一性原理的计算表明hBN薄膜与Cu（111）面台阶的对接是实现单层外延生长的关键。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2009-2

4. 自插层法调控共价键二维层状材料的生长

二维材料作为凝聚态物理学的新分支，为探索拓扑和多体现象提供了一个独特的平台。针对二维结构中的电子特性调控，目前主要有两种方案：构建异质结或原子插层。前者主要基于自下而上的手段，通过机械剥离得到的纳米片被手动堆垛到一起，相对产量较低，工作难以重复。对二维材料进行范德华插层可以产生新的晶体结构与电子特性。当前研究中，插层相关的工作主要利用碱金属材料进行，如锂、钠和钾。典型的插层通过后位生长或扩散过程实现，可以用电化学或固体反应的手段。这些方案的缺陷在于难以获得具有长程晶格有序的插层相，并且通常需要严苛的处理手段。此外，关联插层原子密度、空间分布与插层化合物介观性质的插层相图也有待研究。
来自新加坡国立大学KianPing Loh教授，Stephen J. Pennycook教授与中山大学罗鑫教授的最新研究表明，在生长过程中，金属原子自嵌入到双层过渡金属二硫化物中，生成了一类超薄共价键合材料，称之为自插层二维材料（ic-2D）。通过调控生长过程中的金属源：硫源比例，可以得到不同化学计量比的二维外延膜。这些材料的化学计量比由范德瓦尔斯间隙中八面体空位的周期性决定。研究者们通过这种策略得到了一系列不同Ta插入TaxS2、TaxSe2薄膜，并在一些插层相中检测到了铁磁序。此外这种手段具有普适性，在其他二维材料的生长中也得到了证明。改工作为调控二维材料的化学计量比或结构相提供了新思路。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2241-9#additional-information

5. 质子辅助的超平整石墨烯薄膜的生长

化学气相沉积手段可以很容易地制备出晶圆级石墨烯薄膜。然而，CVD石墨烯的性能仍不如机械剥离的石墨烯纳米片。石墨烯内部的晶界、原子空位和缺陷是石墨烯薄膜的瓶颈问题。此外，石墨烯中的电子在二维空间的局域性非常微弱，其弹道输运平均自由程在微米量级，因此，不仅晶界、空位和杂质，褶皱也可以作为散射中心。通常石墨烯中的褶皱被认为是一种线性缺陷，会降低其大规模的物理和化学性质。因此，高质量石墨烯要求具有原子尺度上晶格的完美和大尺度上的超高平坦特性。
来自南京大学的高力波课题组开发了一种质子辅助的CVD方法，实现了无褶皱的超平石墨烯生长。研究人员引入了电感耦合等离子体用于产生质子，用于削弱石墨烯与衬底之间的耦合。理论模拟表明，质子和电子可以自由穿梭于石墨烯的蜂窝状晶格，并有概率再次结合形成氢。最终生长出来的石墨烯完全消除了褶皱，电学性质优异，在室温下观察到了量子霍尔效应。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1870-3

6. 一种普适的二维范德华异质结生长策略

基于二维材料的范德华异质结克服了传统键合异质结的晶格匹配需求，它可以将具有完全不同化学组分、晶体结构或晶向的材料结合到一起，设计出独特的电子和光子特性，或其他现有材料系统所无法达到的奇异特性，并实现全新的器件功能。然而，目前为止，大多数范德华异质结都是通过艰苦的机械剥离和手工堆垛过程获得，这些过程显然不能用于实际技术。为了充分挖掘范德华异质结的潜力，需要开发出一种强大的、可扩展的阵列合成新技术，精确控制二维材料的化学成分、电子特性和空间位置。
来自湖南大学的段曦东教授和美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授合作，报道了一种金属-半导体过渡金属硫化物二维范德华异质结构阵列的通用合成方法。由于二维金属纳米片在缺陷位点的成核势垒较低，通过引入激光烧蚀技术，研究人员们精确调控了二维金属的生长过程。该工作制备了包括VSe2/WSe2，NiTe2/WSe2，CoTe2/WSe2，NbTe2/WSe2，VS2/WSe2，VSe2/MoS2和VSe2/WS2，最终得到的双层WSe2器件开态电流密度可达900 μA μm-1。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2098-y

7. 闪蒸法实现克级由下而上的石墨烯生长

制取石墨烯大多通过自上而下的方法，机械剥离石墨得到，这些过程通常需要大量的溶剂，并进行高能混合、剪切、超声或电化学处理。虽然将石墨氧化成氧化石墨烯会促进剥离，但这需要强氧化剂的参与，在随后的还原步骤中，石墨烯的穿孔缺陷也不可避免。此外，化学气相沉积或先进的有机合成方法由下至上获得的高质量石墨烯往往局限于较少的批次；如果采用大量溶液进行合成，则结构容易出现缺陷。石墨烯的廉价合成手段是促成其工业应用所必需的前提条件。
来自莱斯大学的James M. Tour及其团队采用快速焦耳加热手段，采用廉价碳源(如煤炭、生物炭、炭黑、丢弃的食物、橡胶轮胎和混合塑料垃圾等)，在不到一秒的时间内提供克级的石墨烯。该过程中被命名为焦耳热闪蒸技术（flash Joule heating，FJH）。采用该技术得到的层叠石墨烯层与层之间呈交错或涡轮层状，易于分散到溶剂中。在维持简单设备构造的前提下，FJH石墨烯合成的电能成本仅为每克7.2千焦，成本极为低廉，这使得石墨烯适用于塑料、金属、胶合板、混凝土等大块复合材料的改性工作。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-1938-0

8. 无支撑单层无定形碳的生长及其物性

非晶材料尽管非常常见，但其原子排列仍然是一个悬而未决的问题，至今尚无有效的实验方法可以准确测定非晶材料的原子结构。通常Zachariasen连续随机网络被用于描述其结构，但最近在无定形硅中的的实验证据更倾向于具有竞争性的结晶模型。然而，在二维材料中，相应的问题仍有待解答。
在此，来自新加坡国立大学的Barbaros Özyilmaz及其团队通过激光辅助化学蒸汽沉积合成厘米级、独立、连续、稳定的单层非晶态碳，南方科技大学林君浩团队在此基础上实现了原子级分辨成像。实验表明得到的石墨烯完全没有长程周期性，但具有键长、键角分布广泛的三配位结构和五、六、七、八元环。环的分布无法用Zachariasen连续随机网络描述，而是类似于竞争(纳米)结晶模型。非晶石墨烯在电学上呈现出绝缘特性，其电阻率与化学气相沉积生长的氮化硼相似。这种稳定的、独立的单层非晶态碳可在磁存储装置和柔性电子器件等应用中用于渗透和扩散屏障。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1871-2

二维异质结及器件研究

9. 扭曲双层石墨烯中的关联电子态与自旋极化相的调控

在魔角扭曲双层石墨烯中发现的强关联绝缘态和超导性给研究者们提供了新思路：在扭曲范德华异质结中构建可调的平带系统，并研究其中的电子相关性。对应的扭角自由度和调控技术可以推广到其他二维系统，并表现出类似的物理性质，实现电子-电子相互作用强度的人工调控。
麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero团队报道了一种基于两片伯纳尔堆叠（Bernal-stacked）的小角度扭曲双层石墨烯(Twisted bi-layer graphene, TBBG)的强关联体系。TBBG具有丰富的相图，具有可调的强关联绝缘态，这些绝缘态对扭曲角和电位移场都高度敏感。当莫尔晶格被整数电子填充，通过电位移场实现对绝缘态的打开或关闭。此外，强关联态对磁场的响应证明了自旋极化基态的存在，这与魔角扭曲双层石墨烯形成了鲜明对比。在较低扭角的情况下，TBBG在电中性点(Charge Neutral Point)附近显示了多组平面带，对应于每一个半填充的平面带，类似的，这些性质也都可以通过位移场进行调控。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2260-6

10. 对魔角石墨烯中的扭转角无序和朗道能级进行成像

为研究扭转角对石墨烯中的电子特性的调控，在hBN封装的魔角双层石墨烯的基础上，来自麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero团队与以色列维茨曼科学研究院的E. Zeldov团队展开合作，利用纳米针尖超导量子干涉装置（SQUID-on-tip），扫描量子霍尔态的朗道能级的断层图像，绘制了局域的扭转角的分布。这项研究揭示了局域的扭转角θ与石墨烯电输运特性之间的关联：θ的梯度场产生了极大的面内电场，并可以被栅压调控，进一步的形成边缘沟道（edge channels），对量子霍尔输运特性进行调控，从而影响魔角双层石墨烯的相图和超导特性。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2255-3

11. 魔角扭曲石墨烯中的级联电子相变

在莫尔超晶格中，研究人员已经发现了电子的强关联特性，并且部分填充的平带朗道能级也有所变化。然而，简并平带和电子之间相互作用的关联机制仍有待研究。
来自普林斯顿大学的Ali Yazdani团队及其合作者研究了石墨烯莫尔超晶格中的级联电子随着电子填充变化的相变特性。研究者们通过高分辨率扫描隧道显微镜，每一次莫尔平带被整数填充时，电子之间的相互作用会改变超晶格的光谱特征：简并的平坦带分裂为Hubbard子带。此外，这些相互作用对外界的垂直磁场非常敏感，极大地调制了光谱跃迁性质。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2339-0

12. 魔角石墨烯中的级联相变和狄拉克回复现象

为研究魔角石墨烯中的电子能带结构，来自以色列维兹曼科学研究所的S. Ilani团队与来自麻省理工学院的P. Jarillo-Herrero团队展开合作，测量了魔角石墨烯中的局域电子压缩性。研究表明，系统被载流子填充的过程并非均等填充，电子的自旋和谷自由度并非均匀分布，而是通过一系列的尖锐级联相变过程完成。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2373-y

13. 莫尔异质结中的强关联电子和复合激子

二维异质结在电子学中的新发现同样激励着相关的光学特性研究。相比于魔角石墨烯中的关联电子特性，对应的过渡金属硫化物异质结中激子的相互作用仍然有待揭晓。尽管目前对双层TMDs异质结光谱学特性的研究揭示了其中的电荷转移过程，但是一般不考虑其中的激子-激子耦合特性。
通过构建hBN插层的莫尔角双层MoSe2结构（=0.8°），来自苏黎世联邦理工学院的Ataç Imamoğlu团队及其合作者们揭示了耦合空穴隧穿机制下层间激子的抑制。此外研究人员观察到三个间隔5meV的层内激子信号，在垂直方向电场的调制下，MoSe2层间的电子传输对耦合激子特性有显著影响。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2191-2

14. WSe2/WS2莫尔超晶格中的莫特相及其产生的Wigner晶态

在石墨烯莫尔超晶格之外，过渡金属硫化物构建的超晶格由于其中强烈的光和物质相互作用及自旋轨道耦合特性，其中可能存在更新奇的量子物理特性。
来自加州大学伯克利分校的Feng Wang团队及其合作者们开发了一种光探测电阻电容技术（optically detected resistance and capacitance，ODRC），用于表征每个莫尔超晶格格点的光电特性。在构建的WSe2/WS2异质结中，研究人员发现了每个超晶格空洞中的莫特绝缘特性，以及在1/3和2/3占据态时伴随的绝缘特性，并将之归因于底层的Wigner结晶特性：空穴会尽量维持近邻位点的单占据态。此外，在过渡金属硫化物异质结中研究人员发现了长达微秒的自旋弛豫寿命，对自旋电子器件的构筑有重要物理意义。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2092-4

15. 光子莫尔晶格中光的局域和非局域特性

为探索光在莫尔超晶格中的演化，来自上海交通大学的叶芳伟团队及其合作者们将两个周期性结构重叠到一起，人工构建了莫尔光学超晶格。基于不同的初始元胞与堆垛角，得到的超晶格表现出不同的周期性。对应的，超晶格中出现极平的光子能带，成功实现了对光子的局域。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1851-6

16. 莫尔超晶格中的可调关联陈绝缘体和铁磁序

量子霍尔效应首先发现于强磁场下二维电子气的边缘态中，这是一种拓扑态，具有有限的陈数C和手性边缘态。在Haldane最后的模型中，即便在零磁场环境下，具有整数量子霍尔效应的陈绝缘体也可以出现在具有复杂跳变参数的晶格中。
基于此，加州大学伯克利分校Feng Wang团队联合复旦大学张远波团队、SLAC国家加速器实验室David Goldhaber-Gordon团队，研究了ABC堆垛三层石墨烯/hBN莫尔超晶格中的陈绝缘体特性。通过改变外加的垂直电场的方向，莫尔迷你能带在零和有限的陈数之间来回切换，这可以通过磁输运行为的变化来揭示。当磁场>0.4T，霍尔电导表现出h/2e2量子化特性， C = 2。关联拓扑绝缘体表现出铁磁性，在零磁场下表现出较大的磁滞现象和反常霍尔信号。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2049-7

17. 基于二维材料的神经网络图像传感器的机器识别

近年来，机器视觉技术突飞猛进，现已成为包括自动驾驶汽车和机器人技术在内的各种智能系统的重要组成部分。通常视觉信息由基于帧的摄像机捕捉，转换成数字格式，然后使用机器学习算法，如人工神经网络，进行处理。然而，通过整个信号链的大量数据压低了帧率，提高了功耗。各种视觉数据预处理技术因此被开发出来，以提高神经网络后续信号处理的效率。
来自维也纳科技大学的Thomas Mueller与其团队构建了一种基于图像传感器的神经网络，它可以同时感知和处理光学图像而没有延迟。该设计基于可重构的二维半导体（WSe2）光电二极管阵列，网络的突触权重存储在一个连续可调的光响应矩阵中。研究人员设计监督和非监督学习，并训练传感器对光学投影到芯片上的图像进行分类和编码，其吞吐量为每秒2000万帧，相比之下，传统的视觉系统只能处理1000fps以下的数据吞吐量。这种设计实现了纳秒级的图像分类速度。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2038-x

Science 7篇

18. 一维范德华异质结

二维范德华异质结的研究将晶格结构和对称性不同的二维材料转移堆垛到一起，实现了很多新奇的光学和电学特性。这种人工材料和界面是否可以在其他维度上制造仍然是一个悬而未决的问题。例如，在一维材料中，理想的范德华异质结应当是具有不同类型纳米管的同轴结构。尽管这样的理想结构已经有一些对应的理论研究，单晶同轴纳米管结构的实验证明仍然欠缺。
针对以上问题，来自日本东京大学的Shigeo Maruyama团队及其合作者们在实验上合成了一维范德华异质结原子管。典型纳米管直径4-5nm，但包含三个不同的壳层：内层碳纳米管、中间六角氮化硼纳米管和外层二硫化钼纳米管。研究人员证明了这种结构中的每个壳层都是无缝的、完美的纳米管，实现了在理论模型中研究的异原子管。通过开放生长方式形成异质结构，这一工作对大量其他的功能纳米管异质结的设计有很重要的启发作用。

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6477/537

19. 二维范德华晶体的单层剥离与相应的人工超晶格构建

基于二维本征材料及其异质结的研究在近几年取得了巨大进展，作为电子材料，他们在集成电路、光电探测、自旋器件等方面都具有很强的应用前景。但是高质量二维单层膜的制备仍然极具挑战性。传统的CVD制备单层膜缺陷难以得到抑制。另一种手段是在过渡金属硫化物单晶上直接沉积金膜，再通过机械剥离得到单层二维材料，但这种方法会在得到的二维材料中引入大量缺陷。
为优化金属辅助机械剥离大面积单层二维材料的过程，来自哥伦比亚大学的Xiao Yang Zhu团队提出了一项新技术。在硅基底上蒸镀原子级平整的金膜，再用热释放带和PVP黏附层将金膜剥离。超平整的金膜和二维材料表面有很好的范德华接触，可以剥离一个完整的单层，可以转移到所需的基板上。去掉黏附层，并用温和的蚀刻液(I2/K-)蚀刻金膜，即可得到肉眼可见的单层二维材料(通常毫米到厘米尺度)。该方法将传统机械剥离方法变成了一个定性和定量的过程。该方法同样可以扩展到其他金属，得到的二维单晶尺寸仅受限于块体材料的尺寸。

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6480/903

20. 远场激发超压缩模式体积的单石墨烯等离子腔

石墨烯等离激元指电磁波传播过程中和石墨烯中电子振荡的耦合特性。由于其局限在石墨烯中，并具对中红外和太赫兹频段有极低的损耗，石墨烯等离激元为观察各种光和电子的物理特性提供了理想的观察平台：如非局域的量子效应、分子光谱、生物传感器等。此外对于室温的长波长光电器件，如探测器、调制器、红外电激发器件等，石墨烯等离激元也有重要应用价值。其中，声学石墨烯等离子体由于其局域特性，对于中红外与太赫兹频段的聚焦至关重要。当前的声学石墨烯等离子体主要通过微结构，如光栅或紧凑的腔体来实现。
石墨烯和纳米颗粒之间的等离子体磁共振为研究者们指明了新思路，来自西班牙巴塞罗那科技学院的Frank H. L. Koppens课题组及其研究者们利用分散在石墨烯表面的Ag纳米颗粒，实现了纳米级的石墨烯等离子腔，模式体积限制因子达到了5×1010。相比于传统手段，该方法在实现超压缩模式体积的同时，有效降低了结构的复杂度。

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/368/6496/1219

21. SrTiO3衬底上石墨烯中的螺旋量子霍尔相

拓扑材料可以根据维度、对称性和拓扑不变量等特性进行分类。在拓扑材料的和绝缘体或真空接触的界面处，材料的体带隙往往闭合形成具有特殊输运和自旋性质的导电边缘态。理论研究普遍认为，电中性石墨烯基态在正交磁场中能够成为具有铁磁有序性、螺旋边缘通道的量子霍尔拓扑绝缘体。然而，由于电子-电子相互作用和电声耦合的存在，在较低的磁场下，塞曼效应与绝缘的自旋/电荷密度波相竞争，往往需要超高强度的磁场（>30 T）才能在石墨烯中观察到铁磁特性。
来自格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的Benjamin Sacépé及其团队利用high-k的SrTiO3衬底，屏蔽了石墨烯中的电子-电子相互作用，在相对低的磁场（<1T）和高温（110 K）环境下观察到了螺旋边缘输运现象，亦即石墨烯中的拓扑相。

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6479/781

22. 利用扫描透射电子显微镜观察单原子的振动谱

单原子杂质和其他原子尺度缺陷可以显著改变固体的局部振动响应，并最终改变其宏观性质。杂质的存在对正常模式频率的变化研究直接导致了瑞利定理的发现。然而，对晶体缺陷模式的研究主要基于材料的光学光谱特性，并关注两种非平凡缺陷诱导模，即局部模和谐振模的频率特性。缺陷模式可以影响材料的物理性质，如电和热的传输特性，或者更普遍的，电子或声子的散射过程。传统的振动光谱通常是大尺度下的平均信息，原子级精度的振动模式分析在实验上存在很大困难。
来自英国SciTech Daresbury Campus的Q. M. Ramasse团队及其合作者们利用扫描透射电子显微镜中的电子能量损失谱研究了石墨烯中的缺陷振动信号。具体而言，石墨烯中的硅替位杂质会对局域声子模式进行修正，计算表明实验中的谱学信号来自于缺陷模式和体连续模杂化产生的共振态。

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6482/1124

23. 在金属氧化物表面以原子级精度直接合成石墨烯纳米带

石墨烯纳米带(Graphene Nanoribbons, GNRs)由于其高度可调的电学、光学和输运特性而引起了人们的极大兴趣。GNRs可以承载非平凡的电子结构、磁性边缘态和不同的电子-自旋耦合特性。这些特性使得GNRs有望成为新兴量子信息科学应用的基础。GNRs通常基于金属表面辅助化学反应合成，有机分子在晶体衬底上沉积后在，超高真空条件下进行表面催化反应，建立分子内碳-碳(C-C)键，通过热触发的环脱氢反应形成环状结构。这一过程中金属衬底对其设计电子特性有强烈的筛选作用，并限制其进一步的应用。
来自橡树岭国家实验室的A.-P. Li团队与来自埃朗根-纽伦堡大学的K. Amsharo团队合作，提出了一种表面合成方法，实现了GNRs直接在半导体氧化物表面的原子级精度沉积。研究人员预先设计了热激发的C-Br、C-F键和脱氢成环的高度选择性和顺序活化过程。扫描隧道显微镜和光谱学的研究证实了zig-zag终端的armchair型GNRs的形成，这也表明GNRs与金红石TiO2基体之间的相互作用较弱。

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/24/science.abb8880

24. 莫尔异质结中的本征量子反常霍尔效应

量子反常霍尔效应结合材料的拓扑特性和磁性，在零磁场下表现出量子化的霍尔电阻特性。莫尔石墨烯超晶格为量子反常霍尔效应提供了两类必要条件：拓扑能带结构和强电子-电子关联性。无论是六方氮化硼(hBN)上的石墨烯，还是扭曲多层石墨烯，莫尔结构一般都会产生具有有限陈数的能带，由于相反石墨烯谷中的陈数相互抵消，使得单粒子条带结构具有时间反演对称性。实验发现，当整数填充的能带足够平坦时，出现了打破自旋、谷或晶格对称性的低温相。值得注意的是，最近在双层扭角和菱形石墨烯结构中都报道了磁滞现象，这些系统表现出较大的反常霍尔效应，极有可能在零磁场下形成陈绝缘体。
来自加州大学圣巴巴拉分校的A. F. Young课题组及其合作者们研究了莫尔超晶格石墨烯中的本征量子反常霍尔效应。研究表明该反常量子霍尔态起源于超晶格中本征强电子电子-电子相互作用，电子极化为具有单自旋/能谷分辨的莫尔微带（陈数C=1）；与磁掺杂的系统相比（Bi2Se3），实验测到的输运带隙大于相应的居里温度，相应的反常磁阻在几K的高温下都能维持。此外，材料的磁序可通过电调控，实现磁存储器件。

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/367/6480/900