学术研究报告：扭曲三层石墨烯中的非常规畴镶嵌结构
第一作者及机构
本研究的通讯作者为韩国首尔国立大学材料科学与工程系的Hyobin Yoo和韩国高等科学技术院（KIAS）的Young-Woo Son，合作单位包括哈佛大学、明尼苏达大学、日本国立材料科学研究所（NIMS）等。研究成果发表于Nature期刊，在线发表于2025年3月。
学术背景
本研究属于凝聚态物理与材料科学交叉领域，聚焦于扭曲范德瓦尔斯材料（twisted van der Waals materials）的原子重构行为。当周期性原子晶格被非公度（incommensurable）的扭转周期调制时，会形成由拓扑缺陷分隔的局部周期性结构，例如摩尔超晶格（moiré superlattice）。此前研究多集中于扭曲双层石墨烯（TBG），而扭曲三层石墨烯（TTG）因存在两个独立扭转角（θ₁₂和θ₂₃），可形成更复杂的摩尔叠摩尔晶格（moiré-of-moiré lattice），但其小扭转角（<0.1°）下的原子重构机制尚不明确。
研究团队旨在揭示TTG中伯纳尔堆叠（Bernal stacking）与菱面体堆叠（rhombohedral stacking）两种低能构型的竞争如何驱动畴结构演化，并探索其与电子态的关联。
研究流程与方法
样品制备与表征
- 样品制备：采用切割-堆叠法（cut-and-stack method）精确控制θ₁₂和θ₂₃（范围0.04°–0.4°），通过原子力显微镜（AFM）切割单层石墨烯并逐层堆叠，覆盖六方氮化硼（h-BN）保护层。
- 透射电子显微镜（TEM）：利用80–200 kV场发射TEM进行选区电子衍射（SAED）和暗场成像（DF-TEM），通过倾斜系列成像（tilt-series imaging）解析堆叠序（如ABA、ABC等），并开发复合彩色DF-TEM技术（结合g=1210/1120/2110衍射峰）可视化畴壁网络。
原子重构模拟
- 改进的Kolmogorov-Crespi（KC）势函数：在传统KC势中引入长程层间相互作用（top-bottom层高斯势），修正了菱面体堆叠能量偏高的误差，使模拟结果与实验观测一致。
- 大规模原子弛豫：对包含千万级原子的摩尔超晶胞进行优化，计算不同θ₁₂/θ₂₃组合下的能量-角度关系，预测畴结构相变临界点（如θₖ≈0.025°）。
电子结构计算
- 紧束缚模型：基于Slater-Koster参数模拟TTG的能带结构，分析垂直电场下菱面体畴（带隙开口）与伯纳尔畴（金属性）边界处的拓扑态。
主要结果
畴结构相图
- 实验观测到六种畴构型（图3）：
- 简单三角晶格（θ₁₂+θ₂₃=0°）：交替ABA/ACA伯纳尔畴（δₐb=50%）。
- 双色三角晶格（2θ₁₂+θ₂₃=0°）：伯纳尔畴占比跃升至75%。
- Kagome晶格（θ₂₃<θₖ）：六角形伯纳尔畴被1D畴壁分割，自发对称性破缺（SSB）导致向列序（nematic order）。
- 六角星畴（θ₁₂=θ₂₃）：保留六重对称性但畴壁呈星形排列。
畴壁能量与重构机制
- 畴壁分为两类（扩展数据图8）：
- Type 1（伯纳尔-伯纳尔边界）：能量137 meV/Å，对称层间褶皱。
- Type 2（伯纳尔-菱面体边界）：能量84 meV/Å，非对称变形。
- 相变驱动力源于长程层间作用：即使伯纳尔与菱面体堆叠能量差仅0.1 meV/原子，仍主导畴图案选择。
电子态调控
- Kagome畴中（图4），垂直电场下菱面体畴打开带隙，而伯纳尔畴边界形成拓扑边界态（valley Chern number差异），其空间分布呈哑铃状（dumbbell-shaped），为调控关联电子态提供新途径。
结论与意义
1. 科学价值：
- 首次建立TTG小扭转角下的全相图，揭示能量差极小（0.1 meV）的竞争序如何通过长程作用驱动宏观畴重构。
- 提出摩尔叠摩尔晶格可作为“量子性质-可控晶格”耦合研究平台，例如实现超导畴与磁性畴的共存。
技术亮点：
- 复合彩色DF-TEM技术：通过多衍射峰融合实现畴壁矢量可视化。
- 改进KC势：解决传统势函数对TTG能量序的误判，为多层扭转材料模拟提供新工具。
应用前景：
- 畴壁网络的可调性（如Kagome畴的向列序）为设计拓扑量子器件（如手性边界态阵列）提供新思路。
研究创新点
- 实验突破：在θ<0.1°的TTG中观测到SSB驱动的Kagome畴，此前仅见于理论预测。
- 理论创新：提出“能量差-畴壁协同”模型，解释微小能量差如何通过畴壁几何放大为宏观相变。
- 方法学贡献：开发跨尺度（原子弛豫→摩尔超晶胞）模拟框架，适用于其他扭转多层体系（如过渡金属二硫化物）。
其他发现
- 扭转角不均匀性：即使采用切割-堆叠法，样品仍存在θ漂移（如0.14°→0.04°），导致畴构型突变（图2a），提示实际器件需考虑局部应变工程。