二维材料范德华异质结构近期在二维材料和物理研究领域引起了广泛的研究兴趣。不同的二维材料通过范德华力结合在一起可以形成不同类型的异质结构,往往可以表现出单种二维材料所不具备的特性。 

这种人工异质结的出现为研究者有目的性地设计不同结构以及器件提供了极大的空间。例如垂直隧穿晶体管,二维材料激光器等等。在构建二维材料异质结的时候,不同材料之间的相对转角是一个非常重要的参数。它会对异质结的能带产生显著的调控,从而影响其电学、光学等特性。石墨烯/氮化硼是其中一个最典型的代表。石墨烯和六方氮化硼结合在一起后,石墨烯表面会出现摩尔条纹, 摩尔条纹的周期与二者之间的转角密切相关。这种摩尔条纹可以看做氮化硼衬底对石墨烯的周期势调控,从而导致石墨烯能带的重构,例如产生自相似的超晶格子带,打开石墨烯的能隙等。

 最近几年,中国科学院物理研究所研究员张广宇领导的N07组和国际同行利用输运、光学以及扫描隧道显微镜等研究手段围绕石墨烯/六方氮化硼摩尔超晶格体系进行了广泛深入的研究,并且报道了一系列原创性的成果。但是目前二维材料异质结构在热力学稳定性方面仍然缺乏相关研究。 

物理所研究员张广宇、时东霞指导的博士生王多明在国际上率先开展了石墨烯/六方氮化硼异质结构热力学稳定性方面的研究工作。首先,他们将石墨烯精准转移到六方氮化硼衬底上,得到随机堆叠的石墨烯/六方氮化硼异质结构。当温度高于100℃时,氮化硼表面的石墨烯会发生自发的旋转。他们首先研究了石墨烯同六方氮化硼的相互作用同二者之间角度的变化关系。结合第一性原理计算,发现存在双稳态。0度时,石墨烯的晶格取向同氮化硼的晶格取向一致,能量最低,是最稳态。30度时,出现体系能量另一个极小值,是亚稳态。后续的研究表明在0度和30度之间存在一个临界点,大约为12度。当石墨烯同氮化硼之间的转角小于12度时,石墨烯会向0度旋转;当转角大于12度时,石墨烯会向30度旋转。利用这种热致旋转现象,通过控制退火温度以及时间,可以可控地得到0-30度之间任意角度的样品,为研究摩尔超晶格体系提供了理想的平台。

 另外,他们也在其他二维材料范德华异质结构体系,如石墨烯／石墨烯、MoS2/六方氮化硼等,发现了类似的现象。这种二维材料异质结构的自发旋转现象,为研究范德华异质界面的稳定性和力学性能提供了新的理解,有望在实现界面超润滑、调控二维材料物理性能、构造二维界面微纳电机械系统等方面得到应用。工作发表在《物理评论快报》(PRL 116, 126101 (2016))上,得到了审稿人以及编辑的高度评价,并且被推荐为该期的亮点文章。 

本工作得到了复旦大学张远波、陈国瑞在样品准备方面以及北京大学冯济、李朝恺在理论计算方面给予的大力支持。工作得到了科技部“973”青年项目、国家自然科学基金委杰青项目以及中科院先导项目(B类)的资助。