来源:南京航空航天大学微信公号 发布时间:2023/7/20 17:40:45
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《自然》刊发!南航以通讯作者单位发布最新研究成果

 

2023年7月19日,国际著名学术期刊《Nature》发表了南京航空航天大学国际前沿科学研究院、航空学院郭万林院士团队殷俊教授与英国曼彻斯特大学诺贝尔奖获得者A. Geim团队A. Mishchenko教授等人合作的研究论文 “Mixing of moiré-surface and bulk states in graphite”,标志着南京航空航天大学在前沿科学研究方面取得新突破。南京航空航天大学是该论文的通讯作者单位,殷俊教授为共同通讯作者。

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这篇论文得到了审稿人的高度评价:“数据质量非常高,将扭曲电子学的原理扩展到了三维半金属体系,开辟了令人兴奋的前景” ,“结果非常有趣…科学卓越”。

通过引入界面莫尔纹在晶格周期上叠加长波长周期势,石墨烯等二维材料的电子态可进行精细设计和调控。这一扭转电子学策略使得人们发现了一系列新颖的物理效应,包括扭转双层石墨烯中的强关联和超导性等。但由于电场屏蔽效应,扭转电子学效应通常被认为只会发生在二维体系中。

该研究发现石墨(三维半金属)的电子态可通过表面周期势来调控。石墨/氮化硼界面莫尔超晶格周期势不仅会导致石墨表面态丰富的Lifshitz转变和Brown-Zak量子振荡,还会导致石墨体态电子的分形量子霍尔效应 (fractal quantum Hall effect)。该工作将当前广泛研究的二维扭转电子学效应拓展至了三维材料体系。

石墨/氮化硼界面的莫尔超晶格及其表面态的Lifshitz转变

该工作制备了基于氮化硼/石墨/氮化硼范德华异质结的电输运器件,其中石墨厚度为数十层,呈现体态石墨的输运特性。表面静电掺杂会在石墨表面引入表面态。通过电输运测试发现,石墨/氮化硼界面的莫尔周期势会显著调控其表面态,使得表面态随着静电掺杂浓度的改变出现丰富的Lifshitz转变。

石墨/氮化硼界面表面态的Brown-Zak振荡

磁场、高温(60 K,抑制Landau量子化)条件下,受界面莫尔周期势调制的表面态出现了显著Brown-Zak量子振荡。Lifshitz转变和Brown-Zak量子振荡不会出现在未对齐的石墨/氮化硼界面处的表面态,即使另外一面石墨/氮化硼界面是对齐的。这是由于石墨的静电屏蔽深度仅2-3原子层,使得上下两个表面态相互独立。

石墨中的分形量子霍尔效应

令人惊讶的是,器件在低温(30-300 mK)条件下呈现出清晰的霍夫斯塔特蝴蝶(Hofstadter’s butterfly)及分形量子霍尔效应。这一效应不仅发生在表面态中,更是在体态电子中可以观测到。其贯穿了整个石墨厚度,同时依赖于顶栅和底栅电极的调制。

该研究展示了通过表界面调控三维体系电子输运行为的可行性,为调控块体材料的电子态提供了全新途径。

该研究工作获得国家自然科学基金委原创探索计划项目(12150002)等项目的支持。

高水平研究成果离不开长期积累与坚持

殷俊教授自2009年攻读研究生起即在郭万林院士的指导下开始从事二维材料相关研究,至此在该领域已深耕了14个年头。他在博士期间就取得了高水平的研究成果,并于2014年发表了我校首篇《Nature Nanotechnology》。博士毕业后赴英国曼彻斯特大学开展博士后研究工作,期间,他克服学科壁垒,从零开始学习,突破在微纳器件及电输运研究方面的经验不足和限制,掌握了相关知识和技术,取得的成果以封面文章发表在《Nature Physics》。在该领域的长期坚守和积累为这项工作的开展奠定了坚实基础。

郭万林院士(右)、殷俊教授(左)、诺贝尔奖获得者A. Geim教授在英国曼彻斯特大学进行学术交流

本研究成果的取得亦得益于大量的实验积累和细心的观察。微纳器件加工涉及到复杂的工艺流程,单个器件的加工周期就长达一周以上,其间稍有不慎便会导致器件质量显著降低、乃至失败。即便如此,团队仍克服重重困难成功制备了数十个高质量器件,并发现其中某些器件呈现了不同于其他器件的输运行为。通过仔细分析发现这些不同寻常的行为来源于器件中石墨和氮化硼的晶格对齐,这成功促成了本研究成果的发现。

为了完善实验数据,殷俊带领团队成员赴法国里昂欧洲强磁场实验室开展相关研究。他们连续一周通宵奋战,在极其有限的时间内得到了非常高质量的实验数据,圆满完成了预期实验计划。

殷俊于南京航空航天大学指导研究生

高质量的器件、几近完美的实验数据和突破性的原创发现使得论文的发表过程非常顺利。论文于2022年12月投稿,2023年1月底收到评审意见,3月修改返回后5月论文即正式录用。

 
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