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清华物理系周树云研究组在范徳华异质结研究领域取得重要进展
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清华新闻网8月29日电 清华大学物理系周树云研究组在《自然物理》(Nature Physics)期刊在线发表题为《石墨烯/氮化硼异质结中的第二级狄拉克锥和空间反演对称性破缺形成的能隙》(“Gaps induced by inversion symmetry breaking and second-generation Dirac cones in graphene/hexagonal boron nitride”)的研究论文。 本项研究首次直接测量到石墨烯/氮化硼的原始和第二级狄拉克锥能带结构,并且在狄拉克锥处发现高达160 meV和100 meV的能隙,从而揭示了空间反演对称性破缺在石墨烯/氮化硼异质结的能隙和能带调控中的重要性,展示了范德华异质结丰富的物理特性。

(a) 角分辨光电子能谱直接测量到的第二级狄拉克锥。(b)石墨烯的原始狄拉克锥和第二级狄拉克锥能带示意图。

近年来,以石墨烯为代表的二维材料因其丰富的物理特性和广泛的应用前景,吸引了研究人员的广泛关注。目前,二维材料领域的一个重要发展方向是把单一材料的研究扩展到由多种材料堆叠组成的人工异质结构。通常称这种由不同的二维材料通过弱范徳华作用力形成的人工新结构为范徳华异质结。在范徳华异质结中,晶格失配导致的超晶格周期势场对二维材料的能带结构起到重要的调制作用,使其呈现出单个材料所不具有的新奇量子现象。

在范徳华模型体系石墨烯/氮化硼中,1.8%的晶格失配产生了一个长达~14nm的缓慢变化的周期势,直接导致在石墨烯原有的狄拉克锥下方产生新的(第二级)狄拉克锥,从而导致了具有自相似递归能谱的Hofstadter(霍夫施塔特)蝴蝶态和拓扑电流等新奇量子效应的陆续发现。然而,由于缺乏直接的能带测量结果,石墨烯/氮化硼体系中的若干关键科学问题,例如超晶格周期势场是如何调制其能带结构,以及是否存在空间反演对称性破缺导致的能隙等,仍然存在着广泛的争议。

周树云研究组最近利用角分辨光电子能谱,首次在外延生长的具有零度转角的石墨烯/氮化硼异质结中得到了高分辨率的能带结构,直接揭示了第二级狄拉克锥的能谱,并且证实在石墨烯的原始狄拉克锥和第二级狄拉克锥处均存在能隙。该工作揭示了空间反演对称性破缺在异质结能隙和能带调控中的重要性,为理解该模型范徳华异质结的新奇量子物理提供重要的实验依据。

清华大学物理系周树云为论文通讯作者,主要合作者包括中国科学院物理所张广宇研究组、复旦大学张远波研究组。第一作者为清华大学物理系博士生王二印(负责角分辨光电子谱测量)和中科院物理所张光宇研究组博士生卢晓波(负责样品制备)。该项工作得到了国家自然科学基金委、国家科技部和清华大学自主科研计划的经费支持。

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