何林课题组与合作者实现了程序化制备石墨烯纳米气泡并探测了其三轴对称的赝磁场

石墨烯中的应变工程一直都是凝聚态物理研究的一个热点方向。通过在石墨烯中引入不同形式的应变,其能带结构和电学性质会发生显著的变化,并且还会形成一系列新奇物态。例如,一些特定的应变结构对电子行为的影响可以等效于一个垂直磁场的作用,从而可实现零磁场下的朗道量子化。人们一直希望能通过应变结构来调控石墨烯的电学性质,并提出了“应变工程”(strain engineering)的概念。因此,如何有效地调控石墨烯应变结构是该领域的一个重要前沿课题。

何林课题组长期致力于石墨烯中的应变结构调制与物性研究[1-7],过去几年,他们利用扫描隧道显微镜陆续探测到了单层和双层转角石墨烯应变结构中形成的零磁场朗道量子化、单层石墨烯中应变诱导的一维朗道量子化、赝磁场和真实磁场共同作用产生的谷极化的朗道量子化、双层石墨烯AB-BA畴界的拓扑边界态、以及应变双层小转角石墨烯中形成的拓扑网络结构等。尽管在应变石墨烯物性探测上已经取得了一系列重要的成果,但是如何控制石墨烯的应变结构一直是该领域的难点。

近日,中科研上海微系统所狄增峰课题组与北京师范大学物理系何林课题组合作,创造性地提出了一种利用原子力显微镜(或扫描隧道显微镜)探针可控制备石墨烯纳米气泡的方法,实现了石墨烯纳米气泡的大小、位置以及形状的可控制备,并在实验上证实了抛物线型气泡上存在具有三轴对称性的赝磁场 [8]。这一最新研究指出,利用导电原子力显微镜或扫描隧道显微镜探针对H钝化Ge表面石墨烯施加偏置电压,可以使Ge-H键断裂,随后分离出的H原子会结合形成H2分子,让上方覆盖的石墨烯鼓起来,从而形成石墨烯纳米气泡。通过控制施加偏置电压,可以控制石墨烯纳米气泡的形状和尺寸,并可设置扫描程序,制备物理位置任意排布的气泡阵列。另外,通过偏置电压的调节,石墨烯纳米气泡的形状可以灵活的从抛物线到高斯曲线的转变。之后,他们对该气泡结构进行了详细的扫描隧道显微镜和隧道谱表征,观察到了抛物线型气泡的扫描隧道谱上出现了角度依赖的赝朗道能级,并通过多个气泡多个位置的谱学测量,证实了气泡上形成的赝磁场呈三轴对称分布。

上述成果近日以“程序化制备石墨烯纳米气泡及其三轴对称的赝磁场” (Programmable graphene nanobubbles with three-fold symmetric pseudo-magnetic fields)为题在线发表在Nature Communications上 [8]。该论文主要由中科院上海微系统所狄增峰课题组和北京师范大学何林课题组合作完成,其中上海微系统所的贾鹏飞博士和北京师范大学的陈文静硕士、乔佳斌博士为共同一作,狄增峰研究员和何林教授为共同通讯作者,中国科学院上海微系统与信息技术研究所为第一完成单位。该工作得到国家科技重大专项、上海市学术/技术带头人计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项的支持。

论文详细信息:
  1. K.-K. Bai, Y. Zhou, H. Zheng, L. Meng, H. Peng*, Z. F. Liu*, J.-C. Nie, and L. He*, "Creating one-dimensional nanoscale periodic ripples in a continuous mosaic graphene monolayer". Phys. Rev. Lett. Vol: 113, PP. 086102, (2014).
  2. H. Yan, Y. Sun, L. He*, J. C. Nie, and M. H. W. Chan, "Observation of Landau level–like quantizations at 77 K along a strained-induced graphene ridge". Phys. Rev. B Vol: 85, PP. 035422, (2012).
  3. W. Yan, W. Y. He, Z.-D. Chu, M. Liu, R.-F. Dou, L. Meng, L. Feng, Y. F. Zhang, Z. F. Liu, J.-C. Nie, and L. He*, "Strain and curvature induced evolution of electronic band structures of Twisted Graphene Bilayer". Nature Commun. Vol: 4, PP. 2159 (2013).
  4. L. Meng, W. Y. He, H. Zheng, M. Liu, H. Yan, W. Yan, Z.-D. Chu, R.-F. Dou, Y. Zhang, Z. Liu, J.-C. Nie, and L. He*, "Strain-induced one-dimensional Landau quantizations in Corrugated Graphene". Phys. Rev. B Vol: 87, PP. 205405, (2013).
  5. S.-Y. Li, K.-K. Bai, L.-J. Yin, J. B. Qiao, W.-X. Wang, and L. He*, "Observation of unconventional splitting of Landau Levels in Strained Graphene". Phys. Rev. B Vol: 92, PP. 245302, (2015).
  6. L.-J. Yin, H. Jiang, J. B. Qiao, and L. He*, "Direct imaging of topological edge states at a bilayer graphene domain wall". Nature Commun. Vol: 7, PP. 11760 (2016).
  7. J.-B. Qiao, L.-J. Yin, and L. He*, "Twisted graphene bilayer around the first magic angle engineered by heterostrain". Phys. Rev. B Vol: 98, PP. 235402 (2018).
  8. P. F. Jia, W. J. Chen, J. B. Qiao, M. Zhang, X. H. Zheng, Z. Y. Xue, R. D. Liang, C. S. Tian, L. He*, Z. F. Di*, and X. Wang, "Programmable graphene nanobubbles with three-fold symmetric pseudo-magnetic fields". Nature Commun. Vol: 10, PP. 3127 (2019).

图一:利用原子力显微镜制备的石墨烯纳米气泡阵列

图二:气泡上形成的赝朗道能级与角度的依赖关系

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