二維材料范德華異質結構近期在二維材料和物理研究領域引起了廣泛的研究興趣。不同的二維材料通過范德華力結合在一起可以形成不同類型的異質結構,往往可以表現出單種二維材料所不具備的特性。 

這種人工異質結的出現為研究者有目的性地設計不同結構以及器件提供了極大的空間。例如垂直隧穿晶體管,二維材料激光器等等。在構建二維材料異質結的時候,不同材料之間的相對轉角是一個非常重要的參數。它會對異質結的能帶產生顯著的調控,從而影響其電學、光學等特性。石墨烯/氮化硼是其中一個最典型的代表。石墨烯和六方氮化硼結合在一起后,石墨烯表面會出現摩爾條紋, 摩爾條紋的周期與二者之間的轉角密切相關。這種摩爾條紋可以看做氮化硼襯底對石墨烯的周期勢調控,從而導致石墨烯能帶的重構,例如產生自相似的超晶格子帶,打開石墨烯的能隙等。

 最近幾年,中國科學院物理研究所研究員張廣宇領導的N07組和國際同行利用輸運、光學以及掃描隧道顯微鏡等研究手段圍繞石墨烯/六方氮化硼摩爾超晶格體系進行了廣泛深入的研究,并且報道了一系列原創性的成果。但是目前二維材料異質結構在熱力學穩定性方面仍然缺乏相關研究。 

物理所研究員張廣宇、時東霞指導的博士生王多明在國際上率先開展了石墨烯/六方氮化硼異質結構熱力學穩定性方面的研究工作。首先,他們將石墨烯精準轉移到六方氮化硼襯底上,得到隨機堆疊的石墨烯/六方氮化硼異質結構。當溫度高于100℃時,氮化硼表面的石墨烯會發生自發的旋轉。他們首先研究了石墨烯同六方氮化硼的相互作用同二者之間角度的變化關系。結合第一性原理計算,發現存在雙穩態。0度時,石墨烯的晶格取向同氮化硼的晶格取向一致,能量最低,是最穩態。30度時,出現體系能量另一個極小值,是亞穩態。后續的研究表明在0度和30度之間存在一個臨界點,大約為12度。當石墨烯同氮化硼之間的轉角小于12度時,石墨烯會向0度旋轉;當轉角大于12度時,石墨烯會向30度旋轉。利用這種熱致旋轉現象,通過控制退火溫度以及時間,可以可控地得到0-30度之間任意角度的樣品,為研究摩爾超晶格體系提供了理想的平臺。

 另外,他們也在其他二維材料范德華異質結構體系,如石墨烯／石墨烯、MoS2/六方氮化硼等,發現了類似的現象。這種二維材料異質結構的自發旋轉現象,為研究范德華異質界面的穩定性和力學性能提供了新的理解,有望在實現界面超潤滑、調控二維材料物理性能、構造二維界面微納電機械系統等方面得到應用。工作發表在《物理評論快報》(PRL 116, 126101 (2016))上,得到了審稿人以及編輯的高度評價,并且被推薦為該期的亮點文章。 

本工作得到了復旦大學張遠波、陳國瑞在樣品準備方面以及北京大學馮濟、李朝愷在理論計算方面給予的大力支持。工作得到了科技部“973”青年項目、國家自然科學基金委杰青項目以及中科院先導項目(B類)的資助。