这篇文档属于类型a，是一篇关于石墨烯原子重构与堆叠序转换的原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

一、作者与发表信息

本研究由Shuai Zhang（第一作者，清华大学工程力学系）、Qiang Xu（清华大学摩擦学国家重点实验室）、Yuan Hou（国家纳米科学中心）等共同完成，通讯作者为清华大学Tianbao Ma、Xi-Qiao Feng和Qunyang Li。论文题为《Domino-like stacking order switching in twisted monolayer–multilayer graphene》，于2022年6月发表于Nature Materials（卷21，页621-626）。

二、学术背景

研究领域与动机

该研究属于二维材料（two-dimensional materials）与范德瓦尔斯异质结（van der Waals heterostructures）领域，聚焦小扭转角（small twist angles）石墨烯中的原子重构（atomic reconstruction）行为。此前研究发现，扭转双层石墨烯在特定角度下会自发形成莫尔超晶格（moiré superlattice），并伴随电子强关联、拓扑保护态等新奇物性。然而，原子重构通常仅表现为单一稳态，其动态调控机制尚不明确。

研究目标

本研究旨在揭示：
1. 小角度扭转单层-多层石墨烯中是否存在双稳态重构态（bistable reconstruction states）；
2. 能否通过外部刺激实现两种稳态的可逆切换；
3. 切换过程的传播机制及其与应变孤子网络（strain soliton networks）的耦合关系。

三、研究流程与方法

1. 样品制备

• 材料与工艺：通过湿法转移法（wet transfer method）将机械剥离的单层石墨烯（monolayer graphene）精确旋转后堆叠于伯纳尔多层石墨烯（Bernal-stacked multilayer graphene）表面，扭转角控制在0.14°左右（补充图1-3）。
  
• 表征手段：拉曼光谱（Raman spectroscopy）确认厚度，导电原子力显微镜（conductive atomic force microscopy, C-AFM）观测莫尔超晶格结构（补充图4）。
  

2. 双稳态的发现与表征

• C-AFM电流成像：发现样品中存在两种导电性差异显著的三角形畴（b畴和r畴），b畴电导率是r畴的2.6倍（图1b，补充图5）。
  
• 理论验证：密度泛函理论（DFT）计算表明，b畴对应伯纳尔堆叠（ABA stacking），r畴对应菱面体堆叠（ABC stacking），电导差异源于顶层三原子层的堆叠序（补充图6-7）。
  

3. 堆叠序的可逆切换

• 机械触发：通过AFM针尖施加压缩-剪切脉冲（impulsive shear load），实现从初始态（state O）到切换态（state ō）的转变（图1b-ii）。切换成功率随载荷增大而提高（35.4 nN时达37.3%），表明其为热激活过程（图1c）。
  
• 可逆性与普适性：同一器件可重复切换20次以上（图1e），并在不同扭转角（0.1°–0.2°）及六方氮化硼（h-BN）衬底样品中验证（补充图11-13）。
  

4. 应变孤子网络与传播机制

• 结构解析：高分辨扫描隧道显微镜（STM）和C-AFM显示，切换后畴壁（domain walls, DWs）形成三种应变孤子：剪切-拉伸（shear-and-tension）、剪切-压缩（shear-and-compression）和增强剪切（enhanced shear）（图2f，补充图16-17）。
  
• 分子动力学（MD）模拟：构建扭转角0.14°的三层石墨烯模型，证实双稳态的能量势垒差异（state ō能量更高），并揭示孤子间的机械耦合是自发传播的关键（图3a-b，补充图18-19）。
  

5. 长程传播与缺陷影响

• 多米诺效应：局部触发可引发800 nm外的远程切换（图4a-d），表明应变孤子网络具有强耦合性。
  
• 缺陷调控：闭合环孤子（closed-loop soliton）或褶皱（wrinkles）可局部阻断切换传播，实现异质堆叠域的图案化（图4e-f，补充图21-22）。
  

四、主要结果与逻辑链条

1. 双稳态的存在：实验与理论共同证实了ABA与ABC堆叠序的共存，并通过电导差异直接表征（图1b-c）。
   
2. 可逆切换机制：机械扰动降低能量势垒，触发原子滑移路径的转变（图2d-e），MD模拟揭示了势垒高度与温度依赖关系（图3b）。
   
3. 应变孤子网络的作用：孤子间的机械耦合使局部切换能自发传播，而缺陷可调控传播路径（图4），为器件设计提供新思路。
   

五、结论与意义

科学价值

• 首次发现小角度扭转石墨烯中的双稳态重构态，并阐明其原子结构与切换机制。
  
• 提出应变孤子网络的机械耦合效应是长程传播的物理基础，丰富了二维材料界面动力学的理论框架。
  

应用潜力

• 为基于堆叠序调控的新型电子器件（如非易失存储器、拓扑量子器件）提供设计原理。
  
• 通过缺陷工程实现异质堆叠图案化，可能用于定制化能带结构或电子输运通道。
  

六、研究亮点

1. 方法创新：结合C-AFM原位操控与高分辨STM，实现了原子级堆叠序的动态观测。
   
2. 理论突破：通过多尺度模拟（DFT+MD）揭示了双稳态的能量 landscape 及孤子耦合机制。
   
3. 现象独特性：发现“多米诺式”传播行为，为二维材料中的非平衡态研究开辟新方向。
   

七、其他价值

• 补充实验验证了堆叠切换仅涉及顶层三原子层（补充图12-13），排除衬底干扰。
  
• 提出的ACQ模型（atomic scale contact quality model）为界面电导量化提供了新工具（图3c-d）。
  

（全文约2000字）