科研成果 | 何林/任雅宁团队与合作者在石墨烯/WSe2异质结中通过强层间杂化实现Kagome晶格

近日，北京师范大学物理与天文学院和高等研究院的何林/任雅宁团队研究团队在二维范德华异质结构量子调控领域取得重要进展。研究团队利用扫描隧道显微镜（STM）原子尺度操控技术，在石墨烯/二硒化钨（graphene/WSe2）异质结中实现了由层间耦合调控产生的Kagome-like电子结构，揭示了层间距离作为调控二维量子材料电子性质的新自由度。相关研究成果以“Kagomelike bands in graphene/WSe2 heterostructure realized by strong interlayer hybridization”为题发表于国际物理学权威期刊《Physical Review Letters》[1]。

近年来，二维范德华材料因其丰富的电学性质和高度可调控性，成为探索新奇量子物态的重要平台。特别是在莫尔超晶格体系中，通过调节二维材料之间的转角，可以实现平带、强关联态、超导态和拓扑量子态等一系列新奇现象[2-4]。然而，目前二维材料电子结构调控主要依赖材料组分、层间堆垛方式以及转角，而层间距离这一关键参数由于缺乏原子尺度调控手段，其作用尚未得到充分探索[5-7]。

在本研究中，团队以石墨烯/WSe2异质结构为研究对象，通过STM针尖局域操控两层材料之间的距离，实现了层间耦合强度的调节。研究发现，在特定转角（约19.1°）条件下，随着层间距离减小，体系中出现了一种规则排列的Kagome-like结构（图1）。进一步分析表明，该结构并非简单来源于几何排列，而是由增强的层间相互作用诱导石墨烯层内碳原子发生周期性的C–C二聚化，从而形成具有Kagome特征的人工晶格。结合扫描隧道谱学测量与第一性原理计算，研究团队进一步揭示了这一结构背后的电子机制。结果表明，当石墨烯与WSe2之间的距离减小时，层间轨道杂化显著增强，石墨烯中碳原子的pz 轨道与WSe2中Se原子的p轨道以及W原子的d轨道发生强烈耦合，进而重构体系电子结构，产生具有Kagome特征的电子能带（图2）。

该工作表明，除了传统的转角和层间堆垛方式外，层间距离同样可以作为设计二维量子体系电子性质的重要调控手段。北京师范大学博士生张若寒为论文第一作者，北京大学潘江辉博士为该工作提供理论计算支持，为并列第一作者。北京师范大学任雅宁副教授、北京大学冯济教授和北京师范大学何林教授为论文通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研究计划、博士后创新人才支持计划以及北京师范大学和北京大学的经费支持。

图1. 石墨烯/WSe2范德华异质结构中转角与层间距的协同调控。

图2. θ ~ 21.9°时不同层间距下石墨烯/WSe2异质结构电学性质分析。

参考文献

[1] R.-H. Zhang, et al., Kagomelike Bands in Graphene/WSe2 Heterostructure Realized by Strong Interlayer Hybridization. Phys. Rev. Lett. 137, 096201 (2026).

[2] L. Balents, C. R. Dean, D. K. Efetov, A. F. Young, Superconductivity and strong correlations in moiré flat bands. Nat. Phys. 16, 725-733 (2020).

[3] C. N. Lau, M. W. Bockrath, K. F. Mak, F. Zhang, Reproducibility in the fabrication and physics of moiré materials. Nature 602, 41-50 (2022).

[4] B. A. Bernevig, L. Fu, L. Ju, A. H. MacDonald, K. F. Mak, J. Shan, Fractional quantization in insulators from Hall to Chern. Nat. Phys. 21, 1702-1713 (2025).

[5] M. Yankowitz, S. Chen, H. Polshyn, Y. Zhang, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. Graf, A. F. Young, C. R. Dean, Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene. Science 363, 1059-1064 (2019).

[6] M. Yankowitz, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. San-Jose, B. J. LeRoy, Pressure-induced commensurate stacking of graphene on boron nitride. Nat. Commun. 7, 13168 (2016).

[7] Y.-X. Zhao, X.-F. Zhou, Y. Zhang, L. He, Oscillations of the Spacing between van Hove Singularities Induced by sub-Ångstrom Fluctuations of Interlayer Spacing in Graphene Superlattices. Phys. Rev. Lett. 127, 266801 (2021).