【行业动态】科学家揭示了石墨烯中莫尔晶格和上层结构的成像过程，将有助于设计石墨烯基电子器件

在二维（2-D）异质结构中可以观察到一种新的周期性结构，这种结构包含晶格矢量略有不同的层，这反过来又支持新的拓扑现象。因此，获得这些云纹晶格和超结构的高分辨率成像对于理解新兴的物理现象非常重要。在最近发表在《科学进展》上的一篇新报告中，研究人员报告了在环境条件下，使用扫描微波阻抗显微镜和超高分辨率实现观察石墨烯样品中莫尔晶格和上层结构的成像过程。虽然该装置的探针头的总半径保持在100nm，但研究团队获得了优于5nm的空间分辨率。这种设置允许直接可视化莫尔晶格和复合材料的超级莫尔。研究人员还展示了不同层间相互作用产生的新上层建筑的人工合成。

二维异质结构由原子薄层和晶格矢量稍有不同而构成，由于晶格失配较大或结构中存在小角度扭曲，可以形成周期性较大的莫尔晶格。这种结构在堆积的二维材料中产生了新的长度和能量尺度，为范德华异质结构中新的相关现象和拓扑物理提供了一个令人兴奋的新平台。当相似的晶格结构堆叠在一起时，可以形成莫尔晶格的超结构，为设计新的量子现象提供额外的灵活性。研究二维异质结构中丰富的云纹物理特性，对于理解和控制二维异质结构中丰富的云纹物理具有重要意义。

传统上，这可以通过透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM）技术来实现。但是大多数方法需要专门的样品制备方法，这些方法在很大程度上不适合观察功能性设备。与现有方法相比，扫描微波阻抗显微镜（sMIM）结合了空间分辨率的优势和器件局部电特性的高灵敏度，是一种替代性的莫尔成像工具。因此，研究人员展示了sMIM的超高分辨率实现，他们还将其命名为uMIM，用于在环境条件下对各种石墨烯基器件的莫尔晶格和上层结构进行纳米级成像。

超高分辨率扫描微波阻抗显微镜

利用成像探针，研究小组揭示了几种莫尔雷超结构，包括莫尔晶格的超调制以及由紧密排列的扭曲石墨烯和六角氮化硼（hBN）层之间的相互作用而产生的一种新的类似卡戈梅的云纹结构。这种莫尔超结构可以为范德华异质结构中的量子现象提供新的途径。在实验中，研究小组使用显微镜来探测局部复杂尖端样品的导纳。观察到的针尖样品导纳取决于样品的局部电导率，研究小组计算了真实和假想的uMIM信号（分别为uMIM-Re和uMIM-Im）。假想信号是快速评估局部电导率的有用信息，因为它随样品的薄片电导单调增加。新的分析成像方法提供了一种微波版的无光阑近场光学显微镜方法。尽管与近场显微镜不同，研究人员在接触模式下进行实验，在接触模式下，针尖和样品之间的电磁耦合高度集中在尖端的顶端。

基于石墨烯系统的概念证明

研究小组通过观察扭曲双层石墨烯（tDBG）中的莫尔超晶格，展示了这种成像技术的能力。他们利用不同的信号解析了tDBG莫尔晶格中的三个不同的区域，以显示该技术在基于局部电导率的二维异质结构中识别莫尔晶格精细结构方面的有用性。为了证明该方法的空间分辨率能力，研究人员对莫尔条纹缺陷进行了成像，并以低于5nm的分辨率解决了缺陷。这种方法优于其他光学近场显微镜。

科学家们随后展示了该方法在各种石墨烯体系中解决莫尔结构的普遍适用性。例如，该技术有助于观察外延生长单层石墨烯/hBN（六角氮化硼）样品中的莫尔条纹，该样品使用标准等离子体增强化学气相沉积法合成。该方法还解决了扭曲三层石墨烯（tTG）和扭曲双层石墨烯（tDBG）中的三角畴。除了传统的moiré晶格之外，超高灵敏度的显微方法还可以从三个具有不同晶格矢量的晶格（如六角氮化硼（BG/BG/hBN）上扭曲的双层石墨烯）上成像moiré超结构。虽然这种异质结构先前已用传统技术成像，但仍需在环境条件下观察到。地形图显示了云纹结构的改变，这可能导致电子光谱的修改，最终可能需要将其纳入材料电子结构的理论计算中。

tDBG/hBN中的类Kagome云纹结构

调查其他莫尔雷上层建筑

研究人员随后使用该方法研究了其他具有理想物理特性的莫尔上层结构。例如，由于存在平坦带和奇异的量子和磁相，作为研究哈伯德物理的平台，卡戈美晶格引起了人们的注意。然而，在超冷原子研究中，Kagome晶格晶体在自然界中是比较罕见的，而它们可以通过光学超晶格来模拟。因此，研究小组在BG/BG/hBN（六角形氮化硼上的扭曲双层石墨烯）系统中开发了一种类似于Kagome的固态莫尔超晶格，并通过成像技术可视化了一种特殊的莫尔复合材料。科学家们详细检查了得到的结构，并将其与理想的卡戈美晶格的预期结构进行了比较。

通过这种方式，研究人员广泛展示了超高分辨率扫描微波阻抗显微镜（sMIM）作为一种简单、高通量和无损伤的方法来表征莫尔超晶格和包括莫尔缺陷的超结构。该团队还为基于石墨烯的范德瓦尔斯异质结构的多层叠层中的卡戈美超晶格进行了定制。优越的成像技术将提供对异质结构设计路径的更好理解，以研究它们与先进莫尔超结构中量子现象的相关性。

文章来源：贤集网

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