探测二维材料内嵌扭转界面的新方法 | NSR

把二维材料像乐高积木般垂直堆叠组成范德华同质或异质结构已成为调控二维材料物理、力学性能的有效途径。特别地，当堆垛界面存在一定的扭转角度时，由于独特的层间耦合作用，二维材料堆垛结构往往会展现出许多有趣的、甚至神奇的物理现象。以双层石墨烯为例，当其层间转角小于1°时，在层间堆垛能和面内弹性应变能的竞争下，扭转界面会出现独特的原子级重构行为，如图1所示。这种独特的堆垛结构会导致一系列有趣的物理现象，包括莫特绝缘态、非常规超导性和自发铁磁性等。最近研究发现，类似的石墨烯扭转界面不仅可以出现在材料的表层，也有可能内嵌在材料内部，从而有望使材料呈现出更为丰富的物理性质。然而，对于此类材料，堆垛界面内嵌在内部，如何对其界面状态进行高分辨表征极具挑战；另外，这种内嵌扭转界面是否也会发生原子级重构现象以及该界面对周边原子层乃至整个材料性能的影响如何仍然缺乏认识。上述这些问题的回答与解决，将进一步加深和拓展人们对扭转二维堆垛材料结构的理解和有力推动其应用。

图1 扭转双层石墨烯重构前后原子排列方式示意图

该研究的实验结果表明，对于内嵌在二维材料内部的小扭转角度界面，仍会出现显著的原子级重构现象；且即使当扭转界面处于材料内部10个原子层深度的位置，原子重构所导致的局部导电性扰动仍在其表面电导上有所体现，典型结果如图2所示。

图2 扭转界面嵌入不同深度时，多层体系中的表面电导性能和原子重构情况：(a) 实验装置示意图；(b) 对于内嵌不同深度界面的表征结果；(c) 分子计算获得的原子尺度变形随层数的变化。

为了进一步揭示转角多层体系的堆垛构型，研究团队基于前期开发的可准确描述范德华二维材料层间相互作用的各向异性力场，构建了接近实验样品的多层扭转石墨烯构型，并进行了大规模分子动力学模拟。计算结果表明，对于内嵌在材料内部的小扭角界面，确实会出现显著的原子重构现象；并且这种局部的原子级重构可以诱导界面两侧相邻5~6个原子层发生面内的旋转变形，随着原子层远离扭转界面，旋转变形的幅值会逐渐衰减，如图2所示。

基于实验与分子模拟所揭示的原子尺度堆垛构型，研究团队提出了一个用于描述堆垛材料电导的串联扩散电阻模型（SSR模型），该模型可以定量地给出扭转多层体系中堆垛状态对表面电导性能的影响，从而建立了表面电导和材料内部堆垛结构的直接联系。该模型不仅可用于描述简单扭转的二维材料堆垛体系，对于含有复杂晶体缺陷（如位错）的转角重构多层样品也同样适用。该方法为利用表面电导来表征层状材料的内部堆垛结构提供了一种简单、便捷且高分辨的方法，对二维堆垛结构的基础研究以及新兴的扭转电子学的发展具有重要的意义。