Nature Nanotechnology：菱形多层石墨烯中电子结构和关联性的层依赖演化

张熙熙

一、 【科学背景】   

在二维材料构建的低能平带结构已成为探索和工程强相关物理的新平台。二维平面体系中最具代表性的家族是扭曲的莫尔异质结，其中莫尔超晶格可以产生具有强电子-电子相互作用的极其平坦的微型带。扁平带驱动的各种奇异量子现象已在不同类型的畸变材料中被相继证明，如扭曲双层石墨烯、扭曲多层石墨烯、三层石墨烯/六方氮化硼（hBN）异质结和扭曲过渡金属二硫化物。尽管研究者们在这一新兴领域进行了广泛深入的研究，但对平带诱导关联相的基本原理理解仍然存在障碍。鉴于此，扩展二维平带系统家族并研究更简单材料中的相关状态是非常必要的。

菱形石墨烯(简称RG或abc堆叠石墨烯) 由于E≈k^N（其中N为层数）的独特能量色散，在电荷中性点（CNP）处具有近乎平坦的能带，是一个很有前途的平带系统。与莫尔超晶格不同，RG不需要扭转，从而更易于获得和且有更好的结构均匀性。更值得注意的是，RG中的平带电子相关性预测与石墨烯层数高度相关。最近，在三层RG中发现了平带感应超导性和磁性，在厚层RG中发现了关联态，这表明RG体系适合用于探索平带相关物理特性。然而，多层RG中的平带物理特性尚未得到充分的实验检验，尤其是随着层数的变化，其电子结构和相关效应的特性变化仍未得到探索。

二、【创新成果】

近日，河北师范大学王文晓副教授和湖南大学殷隆晶教授、秦志辉教授在Nature Nanotechnology期刊发表了题为“Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene”的论文，该项研究制备了高质量的3-9层RG，并通过扫描隧道显微镜和光谱（STM和STS），在液氮温度下测量到这些体系的层依赖电子结构和关联态。在所有小于10层的 RG隧穿光谱研究中，研究者观察到在电荷中性点（CNP）处平带引起的DOS峰，以及由远程带引起的DOS峰。，这些典型特征能够有力地说明电子结构的层依赖性。作者明确地确定了层增强的低能平带和层间耦合度。前者直接证明了较厚RG中低能带的进一步平坦化，后者表明多层RG中存在不同的层间相互作用。此外，平带在77 K时部分填充的STS测量中发生了明显的分裂，范围从-50 meV到80 meV，表现出了相互作用诱导的强关联量子态。特别是，关联态的强度在厚层RG中显著增强，在六层RG达到最大值，直接验证了理论预测，并为强相关系统建立了丰富的新候选系统，为RG中电子性质的层依赖性提供了有价值的见解，并证明它是研究鲁棒性和易探测的强关联量子态的合适平台。

图1 菱形多层石墨烯的形貌和光谱。©2024 Springer Nature Limited

图2菱形多层石墨烯的能带结构演化。©2024 Springer Nature Limited

图3平带LDOS峰的掺杂依赖性。©2024 Springer Nature Limited

图4 电子相关性的层依赖关系。© 2024 Springer Nature Limited

 三、【科学启迪】

通过STM/STS测量，本文研究了随着层数变化，RG能带结构及其相关相的演变。发现了平带和层间跳变强度与层数高度相关，这一发现为多层RG的基本带结构提供了重要信息。特别是，发现了层增强的关联态在液氮温度下持续存在，最大相互作用强度为6层。在层数小于10的多层RG中观察到的层相关态显现了几个值得进一步研究的结论。(1)本文确定了CNP上LAF状态的层依赖性，这在之前，（3L、4L、5L和厚层）RG研究中该特征都表现得难以捉摸。(2)在液氮温度下出现了明显的相关态，这一结果令人震惊。尽管结果可能是受到测量的影响，但不论如何，多层RG都表现出了很好的研究前景，它可以在低温下呈现出稳定的集体行为。(3)RG中的超导体以前只在轻微掺杂的3层中发现过。本文的研究结果表明，在3到10层的RG中存在更强的相关效应，同时在多层中类似掺杂的区域表现出多体行为，从而提供了一个丰富而简单的材料平台，该平台具有研究鲁棒性或非常规超导性的巨大潜力。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01822-y