【儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心國際功能材料量子設計中心和物理系曾長淦教授、李林副研究員研究團隊在二維材料的莫爾調控方面取得重要進展。團隊創新性地構筑了石墨烯與石墨烯莫爾超晶格的電雙層結構，揭示層間拖拽耦合能夠顯著拓展莫爾勢場的調控范圍，從而實現動態遠程莫爾調控。相關研究成果以“Long-range moiré tuning effect via inter-layer drag interaction”為題于10月20日以Article形式在線發表在《自然·通訊》上。
在二維層狀材料體系中，通過人工堆垛構建莫爾超晶格已被證明是一種調控電子能帶結構和量子物態的重要手段。然而，周期性莫爾勢場會隨著遠離堆垛界面而快速衰減，使得莫爾調控效應局限于超晶格界面附近，制約了其潛在應用。團隊基于此前在二維體系拖拽效應的研究基礎(Nano Lett. 20, 1396 (2020)；Nat. Phys. 19, 372 (2023)；Nat. Commun. 14, 1465 (2023))，提出了一種通過層間拖拽效應來拓展莫爾勢場作用范圍的全新研究思路。層間拖拽效應是指在兩個空間相近但彼此絕緣的導電層構成的電雙層結構中，對其中一層(主動層)施加驅動電流時，層間載流子之間動量/能量轉移會誘導另一層(被動層)載流子移動，從而在被動層產生一個開路電壓或閉路電流。這一動態過程由層間庫倫散射這一長程相互作用主導，因此具備實現遠程莫爾調控的潛力。
團隊設計了一種新型電雙層結構：一層為普通石墨烯，另一層是石墨烯與氮化硼層0°對齊堆垛形成周期約為14.7nm的莫爾超晶格。通過系統的低溫輸運測試，研究發現當莫爾超晶格層作為被動層時，層間拖拽行為受到莫爾勢場的顯著調制，表現為由于能量轉移在主電中性點以及莫爾超晶格次級電中性點附近產生的負拖拽信號。更為重要的是，當對莫爾超晶格層通電流時，在普通石墨烯(被動層)上觀測到的拖拽電壓仍能清晰反映莫爾勢場的調控作用，包括在零磁場下莫爾超晶格次級電中性點附近自相似的四區間圖譜，以及在外加磁場下拖拽電阻呈現的Hofstadter蝴蝶圖譜。這些結果表明，利用層間拖拽耦合的長程特性，莫爾調控的作用范圍可以突破莫爾超晶格界面的物理限制，拓展到遠距離的普通導體。這種莫爾拖拽效應的實現為遠程莫爾工程建立了新范式，有望推廣至眾多二維導體體系，特別是那些難以形成合適莫爾晶格的材料，揭示更為豐富的莫爾物理現象。此外，該動態調制機制還可用于探索提升其它結構調制勢場的作用范圍，為發現更多新穎量子物態提供了新途徑。
圖示：(a)研究電雙層結構莫爾調控效應的兩種測試構型：近鄰層內測試和層間拖拽測試；(b)電雙層結構器件示意圖；
(c)被動層為普通石墨烯時拖拽電阻隨柵壓的典型演化圖譜。
中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心朱麗君特任副研究員為論文第一作者，曾長淦和李林為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院以及安徽省的資助。李林得到了中國科學技術大學仲英青年學者項目的資助。
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