学术研究报告：石墨烯与六方氮化硼异质结构中的局域共格态研究

第一作者及机构
本研究的通讯作者为韩国蔚山国立科学技术研究院（UNIST）材料科学与工程学院的Zonghoon Lee教授，合作者包括Na Yeon Kim、Hu Young Jeong等来自UNIST多个研究部门及韩国基础科学研究院（IBS）多维碳材料中心的学者。研究成果于2017年6月14日发表于ACS Nano期刊（DOI: 10.1021/acsnano.7b02716）。

学术背景
本研究属于二维材料（2D materials）与范德华（van der Waals, vdW）异质结构领域。石墨烯（graphene）在六方氮化硼（hexagonal boron nitride, hBN）衬底上表现出优异的载流子迁移率，但两者晶格常数差异（约1.8%）导致界面存在复杂的摩尔超晶格（moiré superstructure）。当两者扭转角（θg‑bn）接近0°时，石墨烯可能通过晶格拉伸或扭曲与hBN形成局域共格态（commensurate state），从而改变电子结构（如打开狄拉克点处的带隙）。然而，这种局域共格态的形态学证据及其对材料性能的影响尚不明确。本研究旨在通过暗场透射电子显微镜（dark field TEM, DF-TEM）和原子分辨率成像，揭示低扭转角下石墨烯/hBN（g/hBN）异质结构的摩尔条纹特征与共格态转变机制。

研究流程与方法
1. 样品制备
- 石墨烯合成：采用化学气相沉积法（CVD）在铜箔上生长大面积单层石墨烯，通过直接转移法将其转移到Quantifoil TEM载网上。
- hBN转移：通过电化学气泡法将CVD生长的hBN薄膜转移到石墨烯/TEM载网复合结构上，形成悬浮的g/hBN异质结构，避免衬底干扰。

1. 结构表征

   • DF-TEM分析：使用80 kV球差校正透射电镜（FEI Titan Cube），通过选区电子衍射（SAED）选择{101̅0}衍射反射，获取摩尔条纹图像。
     
   • 原子分辨率TEM（AR-TEM）：结合快速傅里叶变换（FFT）分析局部晶格排列，并通过图像模拟（MacTempas软件）验证实验结果。
     
   • 纳米束衍射（NBD）：精确测量θg‑bn，并通过正弦定律和摩尔条纹间距（dgm）计算验证扭转角（θg‑bn ≈ 1.56°）。
     

2. 数据分析

   • 摩尔条纹形态学：在θg‑bn ≈ 0°时，观察到摩尔条纹周期性弯曲和展宽，表明局域晶格失配（μ）降低。
     
   • 堆叠构型关联：通过FFT掩模技术分离不同堆叠区域（AA、AB、BA）的晶格条纹，发现AB堆叠区域（碳原子位于硼原子上方）的摩尔条纹暗区扩大，提示此处石墨烯晶格通过拉伸与hBN形成共格态。
     

主要结果
1. 低扭转角下的局域共格态
- 当θg‑bn < 1°时，DF-TEM图像显示摩尔条纹宽度不均且呈锯齿状（图2a），而高扭转角（θg‑bn = 3.2°）下条纹均匀分布（图2b）。
- AR-TEM显示AB堆叠区域仅存在一组衍射斑点（图4c），表明石墨烯晶格通过局部扭曲和拉伸与hBN匹配，平均晶格失配μ降至1.58%（低于单层石墨烯/hBN的1.8%）。

1. 堆叠构型依赖的相互作用

   • 弹性理论分析表明，AA堆叠区域（弹性模量最高）作为摩尔条纹的“支点”，而AB堆叠区域（弹性能最低）易发生晶格弛豫，导致共格态转变（图4d）。
     

2. 电子结构影响

   • 共格态转变破坏了g/hBN超晶格的六方对称性，可能打开石墨烯的带隙，与理论预测的Hofstadter蝴蝶结构（Hofstadter’s butterfly）和卫星电阻峰现象一致。
     

结论与意义
本研究通过DF-TEM和原子尺度成像，首次直接证实了g/hBN异质结构在低扭转角下的局域共格态转变。这一发现为理解范德华材料界面相互作用提供了形态学依据，并揭示了堆叠构型对电子性能的调控机制。其科学价值在于：
1. 方法创新：开发了通过摩尔条纹分析低扭转角超晶格的通用策略，即使低放大倍数下仍可解析界面特性。
2. 应用潜力：为设计基于石墨烯/hBN异质结构的新型电子器件（如带隙可调晶体管）提供了理论指导。

研究亮点
1. 实验突破：首次在自由悬浮样品中观察到g/hBN的局域共格态，避免了衬底效应干扰。
2. 跨尺度关联：将摩尔条纹的宏观形貌（纳米级）与原子级晶格畸变关联，验证了理论预测的应变集中现象。
3. 技术普适性：提出的DF-TEM分析方法可推广至其他二维材料异质结构（如过渡金属二硫化物）的研究。

补充价值
研究还发现hBN缺陷（图4b橙色三角）可作为晶格取向标记，为后续界面缺陷工程提供了新思路。此外，图像模拟与实验结果的高度吻合（图3c、4c）增强了结论的可信度。