2020-12-26 07:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
在二維（2-D）異質結構中可以觀察到一種新的周期性結構，這種結構包含晶格矢量略有不同的層，這反過來又支持新的拓撲現象。因此，獲得這些雲紋晶格和超結構的高解析度成像對於理解新興的物理現象非常重要。在最近發表在《科學進展》上的一篇新報告中，研究人員報告了在環境條件下，使用掃描微波阻抗顯微鏡和超高解析度實現觀察石墨烯樣品中莫爾晶格和上層結構的成像過程。雖然該裝置的探針頭的總半徑保持在100nm，但研究團隊獲得了優於5nm的空間解析度。這種設置允許直接可視化莫爾晶格和複合材料的超級莫爾。研究人員還展示了不同層間相互作用產生的新上層建築的人工合成。
uMIM的成像機理和空間解析度。
二維異質結構由原子薄層和晶格矢量稍有不同而構成，由於晶格失配較大或結構中存在小角度扭曲，可以形成周期性較大的莫爾晶格。這種結構在堆積的二維材料中產生了新的長度和能量尺度，為範德華異質結構中新的相關現象和拓撲物理提供了一個令人興奮的新平臺。當相似的晶格結構堆疊在一起時，可以形成莫爾晶格的超結構，為設計新的量子現象提供額外的靈活性。研究二維異質結構中豐富的雲紋物理特性，對於理解和控制二維異質結構中豐富的雲紋物理具有重要意義。
傳統上，這可以通過透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM）技術來實現。但是大多數方法需要專門的樣品製備方法，這些方法在很大程度上不適合觀察功能性設備。與現有方法相比，掃描微波阻抗顯微鏡（sMIM）結合了空間解析度的優勢和器件局部電特性的高靈敏度，是一種替代性的莫爾成像工具。因此，研究人員展示了sMIM的超高解析度實現，他們還將其命名為uMIM，用於在環境條件下對各種石墨烯基器件的莫爾晶格和上層結構進行納米級成像。
uMIM在各種石墨烯基雲紋成像中的多功能性。
下一行顯示上排中每個對應幀的詳細uMIM Im掃描。
超高解析度掃描微波阻抗顯微鏡
利用成像探針，研究小組揭示了幾種莫爾雷超結構，包括莫爾晶格的超調製以及由緊密排列的扭曲石墨烯和六角氮化硼（hBN）層之間的相互作用而產生的一種新的類似卡戈梅的雲紋結構。這種莫爾超結構可以為範德華異質結構中的量子現象提供新的途徑。在實驗中，研究小組使用顯微鏡來探測局部複雜尖端樣品的導納。觀察到的針尖樣品導納取決於樣品的局部電導率，研究小組計算了真實和假想的uMIM信號（分別為uMIM-Re和uMIM-Im）。假想信號是快速評估局部電導率的有用信息，因為它隨樣品的薄片電導單調增加。新的分析成像方法提供了一種微波版的無光闌近場光學顯微鏡方法。儘管與近場顯微鏡不同，研究人員在接觸模式下進行實驗，在接觸模式下，針尖和樣品之間的電磁耦合高度集中在尖端的頂端。
tDBG和hBN莫爾（A到C）超莫爾晶格的超結構。
基於石墨烯系統的概念證明
研究小組通過觀察扭曲雙層石墨烯（tDBG）中的莫爾超晶格，展示了這種成像技術的能力。他們利用不同的信號解析了tDBG莫爾晶格中的三個不同的區域，以顯示該技術在基於局部電導率的二維異質結構中識別莫爾晶格精細結構方面的有用性。為了證明該方法的空間解析度能力，研究人員對莫爾條紋缺陷進行了成像，並以低於5nm的解析度解決了缺陷。這種方法優於其他光學近場顯微鏡。
科學家們隨後展示了該方法在各種石墨烯體系中解決莫爾結構的普遍適用性。例如，該技術有助於觀察外延生長單層石墨烯/hBN（六角氮化硼）樣品中的莫爾條紋，該樣品使用標準等離子體增強化學氣相沉積法合成。該方法還解決了扭曲三層石墨烯（tTG）和扭曲雙層石墨烯（tDBG）中的三角疇。除了傳統的moiré晶格之外，超高靈敏度的顯微方法還可以從三個具有不同晶格矢量的晶格（如六角氮化硼（BG/BG/hBN）上扭曲的雙層石墨烯）上成像moiré超結構。雖然這種異質結構先前已用傳統技術成像，但仍需在環境條件下觀察到。地形圖顯示了雲紋結構的改變，這可能導致電子光譜的修改，最終可能需要將其納入材料電子結構的理論計算中。
tDBG/hBN中的類Kagome雲紋結構
調查其他莫爾雷上層建築
研究人員隨後使用該方法研究了其他具有理想物理特性的莫爾上層結構。例如，由於存在平坦帶和奇異的量子和磁相，作為研究哈伯德物理的平臺，卡戈美晶格引起了人們的注意。然而，在超冷原子研究中，Kagome晶格晶體在自然界中是比較罕見的，而它們可以通過光學超晶格來模擬。因此，研究小組在BG/BG/hBN（六角形氮化硼上的扭曲雙層石墨烯）系統中開發了一種類似於Kagome的固態莫爾超晶格，並通過成像技術可視化了一種特殊的莫爾複合材料。科學家們詳細檢查了得到的結構，並將其與理想的卡戈美晶格的預期結構進行了比較。
通過這種方式，研究人員廣泛展示了超高解析度掃描微波阻抗顯微鏡（sMIM）作為一種簡單、高通量和無損傷的方法來表徵莫爾超晶格和包括莫爾缺陷的超結構。該團隊還為基於石墨烯的範德瓦爾斯異質結構的多層疊層中的卡戈美超晶格進行了定製。優越的成像技術將提供對異質結構設計路徑的更好理解，以研究它們與先進莫爾超結構中量子現象的相關性。
文章來源：賢集網
原標題：《【行業動態】科學家揭示了石墨烯中莫爾晶格和上層結構的成像過程，將有助於設計石墨烯基電子器件》
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