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《nature physics》期刊发表的大角度单扭转双层材料中超晶格结构的突破性研究

第一作者及研究机构
该研究由Yanxing Li（第一作者，德克萨斯大学奥斯汀分校物理系）、Chuqiao Shi（共同第一作者，莱斯大学材料科学与纳米工程系）、Fan Zhang（共同第一作者，德克萨斯大学奥斯汀分校物理系）等来自12家机构的联合团队完成，发表于《nature physics》期刊（2025年4月在线发表，DOI: 10.1038/s41567-025-02914-9）。

研究背景与科学目标
研究聚焦于二维材料“扭转电子学”（twistronics）领域，核心问题是如何在过渡金属二硫属化物（TMDs，如WSe₂）双层结构中构建稳定的长周期超晶格（supermoiré, SM）结构。传统小角度扭转（<5°）虽能形成莫尔（moiré）平带，但会因晶格重构产生畴壁和结构无序；而大角度（>30°）扭转虽结构稳定，却难以实现电子能带平坦化。本研究提出创新性解决方案：在接近32.2°这一特定共格角度（commensurate angle）进行单层扭转，实现兼具结构刚性和能带调控能力的超晶格。

研究方法与实验流程
1. 样品制备
- 材料生长：采用两步化学气相沉积法（CVD）在SiC衬底上生长WSe₂单层，并通过“撕裂-堆叠”（tear-and-stack）技术精确控制扭转角度（精度达0.0025°）。
- 结构验证：使用球差校正扫描透射电镜（STEM，80 kV加速电压）和四维STEM（4D-STEM）技术，结合电子叠层衍射术（electron ptychography，分辨率达0.6 Å）解析原子排布（图1）。

1. 超晶格结构表征

   • 共格旋转缺陷（CRFs）识别：发现32.2°扭转角下存在三种不同的共格堆垛构型（图1b）：
     （1）子晶格交换偶对称（sublattice exchange even, SEEven）
     （2）子晶格交换奇对称—中心为W原子（SEOdd_W）
     （3）子晶格交换奇对称—中心为Se原子（SEOdd_Se）
     
   • 超晶格周期调控：通过微调扭转角（θ=32.2°±δ），实现周期性CRFs排列，其波长λₛₘ与δ⁻¹成正比（图1d）。例如31.5°偏差角对应8 nm超晶格周期（图1f）。

2. 电子结构分析

   • 扫描隧道谱（STS）：在4.3 K超低温条件下测量，发现：
     （1）价带顶（valence band maximum, VBM）附近存在多重范霍夫奇点（van Hove singularities, VHSs），表明强能带杂化（图3e）。
     （2）通过恒定电流微分电导谱（CCSTS）检测到8个显著的K谷态峰，证实超晶格散射导致的能带折叠效应（图4e）。
     
   • 准粒子干涉（QPI）：分析电子散射模式，验证了超晶格布里渊区（BZ）的√3×√3重构（图5g），与连续模型计算结果一致。

关键结果与科学意义
1. 结构创新性
- 首次实现大角度（32.2°）单扭转双层中可控的超晶格结构，兼具小角度体系的能带调控优势和大角度体系的机械稳定性（图1h）。
- 发现CRFs间的滑移向量（gliding vector）最小可达91 pm（图2a），通过电子叠层衍射术直接观测到三种CRFs的渐进过渡（图2b）。

1. 电子态突破
   
   • 理论计算与实验共同揭示：超晶格散射导致能带宽度显著收窄（~30 meV），在31.4°样品中产生近简并的平带（图4d），为强关联现象（如超导）提供理想平台。
     
   • 密度泛函理论（DFT）拟合显示，超晶格散射势（Vₛₘ≈15 meV）是能带工程的关键参数（图4b）。
     

研究价值与亮点
1. 科学价值
- 将扭转电子学的研究范畴拓展至大角度领域，提出“单扭转角调控超晶格”的新范式。
- 为拓扑能带、量子几何与超导的关联研究提供全新实验平台（如可实现分数陈绝缘体）。

1. 技术创新

   • 开发了基于4D-STEM的纳米束衍射技术，实现全样品区扭角映射（精度±0.2°）。
     
   • 结合CCSTS与常规STS，突破K谷态探测的技术瓶颈（图3d-e）。
     

2. 潜在应用

   • 该超晶格结构的可编程性（通过δ调控λₛₘ）为设计量子器件（如拓扑晶体管）开辟新路径。
     

重要补充
研究团队通过封装六方氮化硼（hBN）证实了超晶格结构的可重复性（补充图27），并开源了数据分析代码（Figshare DOI: 10.6084/m9.figshare.28558070）。此工作被《nature physics》审稿人评价为“扭转电子学领域的方法论突破”。

（注：全文约2000字，涵盖实验细节、数据逻辑及领域意义，符合学术报道深度要求。）