发布时间:2020-07-30 10:53 原文链接: “天才少年”曹原带你领略21诺奖材料的火爆

  石墨烯又被称为“黑金”、“新材料之王”,被誉为改变21世纪的“神奇材料”,不仅在航空航天、太阳能利用、纳米、电子学、生物医疗、复合型材料等领域有广泛运用,而且在我们服饰、日用品等也独具商业应用潜能。2010年诺贝尔物理学奖授予对石墨烯研究做出杰出贡献的英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃索洛夫。作为21世纪“神奇材料”,石墨烯必将会给人类的生活带来巨大改变,对世界产生颠覆性的影响。本文总结了近期Science和Nature杂志上关于石墨烯领域的突破性成果,和大家一起交流探讨。

  1、Nature: 石墨烯的气体渗透性极限

  英国曼彻斯特大学诺奖得主A. K. Geim教授团队使用小的石墨烯密封的单晶容器,研究发现无缺陷的石墨烯是不透水的,其精确度比之前的研究高出8-9个数量级。研究人员能够辨别出每小时只有几个氦原子的渗透,这个检测限也适用于除了氢的所有其他测试气体(氖、氮、氧、氩、氪和氙)。尽管氢分子比氦分子大,并且要经历一个更高的能量屏障,但它仍表现出明显的渗透。这异常的结果归因于两阶段的过程,涉及在高催化活性的石墨烯波纹处解离氢气分子,紧随其后的是吸附的氢原子以相对较低的活化能跃迁到石墨烯片的另一侧。该研究工作为二维材料的抗渗性提供了一个关键的参考,从基础研究的角度和它们的潜在应用都具有重要意义。

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  文献链接:

  https://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x

  2、Nature:魔角石墨烯中的扭曲角无序和朗道能级

  美国麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero教授和“天才少年”曹原使用纳米级针尖扫描超导量子干涉装置(SQUID-on-tip)获得处于子霍尔态的朗道能级的断层图像,并绘制六方氮化硼(hBN) 封装的MATBG器件的局部变化图,其相对精度达到0.002度,并且空间分辨率为几个莫尔周期。研究发现θ无序程度与MATBG传输特性的质量之间存在相关性,并且表明即使是具有相关状态和超导性的最先进的设备,其θ的局部变化也高达0.1度,具有较大的梯度和跳跃网络,并且可能包含没有局部MATBG行为的区域。同时MATBG中的相关状态相对于扭曲角异常特别脆弱,θ的梯度会产生大的栅极可调谐的平面内电场,即使在金属区域也不会被屏蔽,从而通过形成边缘通道而改变量子霍尔态,可能会影响相关态和超导态的相图。因此,作者确立了扭曲角无序作为一种非传统类型无序的重要性,从而能确保在结构设计中使用扭曲角梯度,用于相关现象的实现和门-可调的内置平面电场以应用于设备应用程序。

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  文献链接:

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

  3、Nature:扭曲双层石墨烯中的可调关联态和自旋极化相

  美国麻省理工大学的Pablo Jarillo-Herrero教授和“天才少年”曹原(共同通讯作者)等人报道了一种基于小角扭曲双层石墨烯(TBBG)的高度可调关联系统。TBBG具有丰富的相图,具有可调的相关绝缘体状态,对扭曲角和电位移场的应用高度敏感,后者反映了贝尔纳尔堆叠双层石墨烯的固有极化率。而关联态对磁场的响应则表明自旋极化基态的存在,这与魔角扭曲双层石墨烯完全不同。此外,在较低的扭曲角范围内,TBBG显示了接近电荷中性的多组平坦带,导致许多相关状态对应于每个这些平坦带的半填充,所有这些状态也可以通过位移场进行调整。研究认为,这些结果为在扭曲超晶格中探索扭曲角/电场可控的关联相提供了机会。

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  文献链接:

  https://doi.org/10.1038/s41586-020-2260-6

  4、Nature:魔角扭曲双层石墨烯中的级联电子跃迁

  美国普林斯顿大学Ali Yazdani教授等人通过高分辨率扫描隧道显微镜,发现随着电子填充,魔角扭曲双层石墨烯会出现一系列光谱跃迁。每一次整数填充莫尔带,其化学势都会明显变化,低能激发发生重排。这种光谱特征是由于库伦相互作用所造成的,即简并的平坦带分裂为哈伯德子带。经研究发现,这些相互作用(从实验上截取的强度)对垂直磁场的存在非常敏感,极大地改变了光谱跃迁。该工作所报道的级联跃迁,描述了魔角扭曲双层石墨烯是如何从相关的高温母态演变出低温下各种奇妙的绝缘体和超导体基态相。

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  文献链接:

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

  5、Nature:魔角石墨烯中的级联相变和狄拉克电子特征恢复

  美国麻省理工学院P. Jarillo-Herrero教授、以色列魏茨曼科学研究所S. Ilani教授等人报道了对魔角石墨烯的电子态(局部电子压缩性)进行表征,作者发现当向体系中加入载流子后,发现了四种电子优选态,分别对应了不同的自旋和能谷,同时电子的填充并不是等性填充过程。反之,电子的填充过程经历了一系列的相转变过程,其中显示出在摩尔晶格整数填充附近压缩的电子态发生非对称性的跃迁。在每个跃迁的转化点附近,作者发现发生了重置(resetting)到电中性点的过程,因此在每次整数电子填充后形成了Dirac特征的电子。通过测试面内的磁场与化学势之间的关系,作者揭示了同时发生的磁化过程,进一步展示了这种相关的对称性破缺过程。

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  文献链接:

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

  6、Nature:魔角石墨烯中的绝缘态/超导态研究

  西班牙巴塞罗那科学技术学院Dmitri K. Efetov教授等人报道了通过改变石墨烯和金属屏蔽层的间隔距离来直接调节电子的相互作用。在实验中,他们能够同时控制电子的速度和相互作用能量,从而将绝缘相变成超导相。研究人员使用了扭转角大致偏离魔角1.1°的±0.05°的器件,并将这些器件非常靠近金属屏蔽层,通过绝缘的六边形氮化硼层将其仅隔开几纳米。这使得他们能够减少电子之间的排斥力,并加快这些电子的速度,因此允许它们自由移动,逃离绝缘状态。通过改变不同器件配置中的电压(载流子密度),超导相保持,而相关的绝缘体相消失。该研究为理解双层魔角石墨烯中的绝缘态和超导态之间的关系提供了经验,并为理解具备强相互作用的超导体系的微观机制提供了方案。

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  文献链接:

  https://www.nature.com/articles/s41586-020-2459-6

  7、Science:在金属氧化物表面上合成石墨烯纳米带

  橡树岭国家实验室A.-P. Li,埃朗根-纽伦堡大学K. Amsharov等人提出了一种表面合成方法,可以直接在半导体金属氧化物表面上形成原子精确的GNR。研究人员通过含有三个蒽结构的双溴端基分子DBDFTA作为反应物分子在TiO2表面反应,首先构建蒽的长链分子结构,随后将蒽之间进行分子内构建更大的芳环。随后借助大芳环上的应力构成大芳环体系。研究人员通过扫描隧道电子显微镜对纳米带中的HOMO、HOMO+1、LUMO、LUMO+1结构进行分析。扫描隧道显微镜和光谱证实了由明确定义的之字形末端终止的平面扶手椅式GNR的形成,这也揭示了GNR与金红石型TiO2底物之间的相互作用较弱。

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  文献链接:

  https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/24/science.abb8880.full

  8、Nature:两片双层石墨烯中可调谐的自旋极化相关态

  美国哈佛大学Philip Kim 、Xiaomeng Liu等人使用两片双层石墨烯(TDBG)的范德华力异质结构,证明了平坦的电子带可在一定的扭曲角范围内通过垂直电场进行调谐。与魔角扭曲双层石墨烯类似,TDBG在半填充和四分之一填充的平带处显示出能量间隙,表明相关绝缘体状态的出现。研究人员发现,这些绝缘体状态的间隙随着平面内磁场的增加而增加,表明存在铁磁有序。在掺杂半填充绝缘体时,观察到电阻率随温度降低而突然下降。这种临界行为仅限于在密度-电场平面上的一小部分区域,并且归因于从正常金属到自旋极化相关态的相变。在电场可调TDBG中发现自旋极化相关态,为工程交互驱动的量子相提供了一条新的途径。

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