近日，上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室在二维材料电子结构调控领域取得了新的突破：在菱方堆垛多层石墨烯中，首次系统观测到从薄层到接近体相极限的拓扑相变，揭示出样品中由表面平带演化为三维狄拉克节点呈螺旋线分布的独特电子结构；在双层石墨烯与六方氮化硼（hBN）对齐形成的莫尔超晶格结构中，实现了带隙的协同调控，并深入揭示了其形成机理。相关研究分别发表于国际知名期刊Science Bulletin和Advanced Science。
近年来，基于堆垛方式、转角构筑等新型石墨烯材料体系成为凝聚态物理的研究热点。这类体系不仅蕴含着强电子关联、超导、铁磁、铁电以及拓扑等新奇量子相态，而且在新型量子器件、拓扑量子计算等领域展现出重要的应用前景。由于传统实验方法的局限性，对这些新型石墨烯材料电子结构的直接实验研究目前仍十分有限。
在与上海同步辐射光源的紧密合作下，依托拓扑物理实验室自主建设的上海同步辐射光源NanoARPES实验站，研究团队对新型石墨烯材料体系展开了系统研究，前期工作包括魔角双层石墨烯超导机理探究以及魔角三层石墨烯莫尔平带的精细测量等。
在此基础上，研究团队进一步聚焦于菱方堆垛多层石墨烯。第一项研究结果显示，随着石墨烯层数的逐步增加，样品中拓扑表面平带与体态子带的特征均发生显著变化：在薄层样品中可以清晰识别离散的表面平带和子带，而当层数接近体相极限时，体态子带演变为在动量空间中呈螺旋状分布的三维狄拉克节点线，同时表面平带转变为拓扑鼓面表面态，从而构成了拓扑狄拉克节点螺旋线半金属结构。实验观察结果与密度泛函理论计算高度吻合，充分验证了层数依赖的拓扑相变特性，为在菱方多层石墨烯中探索具有非平凡拓扑和强电子关联效应的奇异量子相提供了坚实基础。
另一项研究则采用原位电场调控的NanoARPES技术，对双层石墨烯/hBN异质结构中形成的莫尔超晶格进行电子结构测量。研究人员通过施加电场，实现了最高达100 meV级别的带隙调控；而在hBN诱导的莫尔势场作用下，双层石墨烯的带隙又额外增加大约20 meV。对比具有和不具有莫尔超晶格的双层石墨烯器件，NanoARPES实验直观展示了电场效应与莫尔势场在动量空间中协同调控能带结构的机制，为设计低功耗、高性能的下一代电子器件提供了全新的思路。
这两项成果不仅深化了人们对新型石墨烯结构中电子结构、拓扑与关联物理现象的理解，也为未来在量子计算、低能耗电子器件、极化光学和自旋电子学等领域的应用奠定了坚实的材料基础。通过精细调控这些新型石墨烯材料的电子结构，进一步展示了NanoARPES技术在二维材料研究中的独特优势和重要价值。
图 1 菱方堆垛多层石墨烯拓扑相变。(a)菱方堆垛石墨烯晶格示意。（b）3层及厚层菱方堆垛石墨烯理论能带结构。（c）ARPES测量厚层菱方堆垛石墨烯能带结构。(d)狄拉克节点螺旋示意图。（e）狄拉克节点螺旋ARPES测量结果。随着动量增加，狄拉克节点在等能面形成逆时针旋转螺旋结构。SFB:表面平带，BSB:体电子带。Surface State/SS：表面态。Dirac Node:狄拉克节点。Dirac Cone:狄拉克锥。Dirac Node Spiral: 狄拉克节点螺旋。Brillouin zone:布里渊区。
图 2 双层石墨烯(BLG)/六角氮化硼(hBN)异质结中可调莫尔带隙。（a）结合原位电场调控的NanoARPES技术测量BLG/hBN异质结示意图。(b)对齐BLG/hBN异质结产生的莫尔超晶格示意图。（c）莫尔势作用下对齐BLG/hBN的电子结构随电场演化，可观察到能隙逐步增大。（d）无莫尔势作用下非对齐BLG/hBN的电子结构随电场演化。Moiré gap:莫尔势打开能隙。D field:位移电场。Gating: 门电压。
上海科技大学物质学院拓扑物理实验室团队联合国内多家单位合作取得了如上科研成果。团队成员包括上海科技大学物质学院柳仲楷教授、刘健鹏教授、陈成教授、王美晓研究员、王竹君教授、陈宇林教授；北京大学刘开辉教授；南京大学缪峰教授；湖南大学张世豪教授；南京理工大学程斌教授；上海交通大学王世勇教授等。上海科技大学物质学院柳仲楷课题组博士研究生肖涵薄为两项工作的第一作者。
Science Bulletin
论文标题：
Thickness-dependent topological phases and flat bands in rhombohedral multilayer graphene
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2025.01.036
Advanced Science
论文标题：
Unveiling a Tunable Moiré Bandgap in Bilayer Graphene/hBN Device by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy
论文链接：
沪公网安备 31011502006855号