研究人员开发了直接测量多层石墨烯系统中的能隙和带宽的新技术

瑞士洛桑联邦理工学院 （EPFL） 和日本国家材料科学研究所的研究人员开发了一种新技术，可以直接测量多层石墨烯系统中的能隙和带宽，为更深入地了解奇异的量子态和未来的电子设备铺平了道路。

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当石墨烯层相互堆叠并略微旋转时，原子晶格会产生一种周期性的干涉图案，称为莫尔图案。这种模式显着改变了材料的电子行为，有时会导致超导和磁性等奇特的量子现象。然而，直接探测这些量子态的精细细节一直是一个挑战。了解电子在这些堆叠石墨烯系统中的表现对于设计未来的电子和量子器件至关重要。但传统技术难以精确测量能隙和带宽，这些参数决定了电子在这些系统中如何移动和相互作用。由于没有可靠的方法来提取这些数据，研究人员一直在通过间接观察来拼凑这个难题。

“Direct probing of energy gaps and bandwidth in gate - tunable flat band graphene systems” 发表于Nature Communications，报道了一种研究双栅多层石墨烯系统中能带结构的技术，该技术通过解耦单层石墨烯的朗道能级来提取相关信息，有助于理解电子能带结构和强关联态。

研究背景

莫尔系统的重要性

：具有平带的莫尔系统能展现出多种新奇量子态，是凝聚态物理研究的重要平台。通过扭转角和电场对其进行调控，有助于深入理解强关联基态。

现有研究技术的局限

：当前研究二维材料能带结构的技术，如扫描隧道显微镜 / 光谱（STM/STS）、纳米角分辨光电子能谱（Nano - ARPES）等大多为单栅技术；电子压缩率测量、纳米红外成像等虽能研究双栅器件，但各有弊端。

研究成果

双栅双层石墨烯中电荷中性点（CNP）能隙的调控

：在双层石墨烯（BG）上堆叠大扭转角的单层石墨烯（MG）制成双栅霍尔条进行电输运测量。利用朗道能级光谱学，通过解耦的单层石墨烯（DMG）的朗道能级估算 BG 的 CNP 能隙

。发现

随位移场

显著增加，在

时存在有限的内建能隙，且能隙会随正

的增加而关闭和重新打开。

扭曲单双层石墨烯（TMBG）的带宽和带隙

：在小扭转角（

）的 TMBG 上放置 DMG 进行研究。当填充因子为 3 的关联态出现在

时，平坦带宽约为

；从

到

，平坦带宽减小，带隙增大，在

时，平坦带宽最小，带隙最大且出现填充因子

的关联态；之后，平坦带宽随

增加而展宽，带隙减小。

整数和分数量子霍尔能隙的提取

：通过该技术可提取 TMBG 平带的整数和分数量子霍尔能隙。例如，测量得到平带整数朗道能级能隙平均值为

；在

左右，提取的分数量子霍尔能隙为

，与已报道研究结果相当。

研究方法

器件制备

：采用 “切割和堆叠” 技术，将单层石墨烯、双层石墨烯、六方氮化硼（hBN）和石墨薄片机械剥离到氧等离子体蚀刻的

表面，用原子力显微镜预切割，精确控制扭转角，再制作石墨顶栅和电极。

测量方法

：在低温恒温器中进行输运测量，采用标准锁相技术，通过源表施加栅极电压，利用特定公式提取总载流子密度

和位移场

。

扭转角确定

：根据 DMG 与 TMBG 解耦后观察到的带绝缘态的载流子密度

，结合公式

确定 TMBG 的扭转角。

能隙和带宽的提取

：通过测量狄拉克朗道能级与 CNP 能隙交点处的化学势跃变确定能隙和带宽，考虑朗道能级展宽、塞曼分裂、谷分裂等因素对测量的影响。

研究意义与展望

：该技术为研究强关联态提供了有力手段，有助于理解超导相图和基态，能推动理论研究以理解多层石墨烯系统复杂的相图，未来还可扩展到其他类似的莫尔系统。