英文原題： Proposed quantum twisting scanning probe microscope over twisted bilayer graphene

通訊作者： 胡偉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)；楊金龍，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

作者： Yifan Ke (柯逸凡), Lingyun Wan (萬(wàn)凌云), Xinming Qin (秦新明) 

轉(zhuǎn)角石墨烯是由兩片單層的石墨烯薄膜堆疊而成的，當(dāng)相對(duì)轉(zhuǎn)角接近1.1°時(shí)，被稱(chēng)為魔角石墨烯，這種結(jié)構(gòu)引發(fā)了一系列非常規(guī)超導(dǎo)和關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)等重大物理現(xiàn)象。這種旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致摩爾紋的形成，其中包括一系列AA和AB/BA類(lèi)型的堆疊區(qū)域。早期的局域態(tài)密度(LDOS)測(cè)量實(shí)驗(yàn)證明在AA區(qū)域存在電子局域態(tài)。另一方面，在掃描探針顯微鏡(SPM)領(lǐng)域，如何獲得高性能的針尖一直是一個(gè)待解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)金屬針尖由于具有較小的針尖半徑，因此在針尖處具有較大的態(tài)密度。在這一背景下，作者提出了一種新思路，即利用摩爾局域態(tài)的高態(tài)密度，配合轉(zhuǎn)角電子學(xué)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)一種可控的量子轉(zhuǎn)角SPM探針(QTSPM)。 

圖1. 基于轉(zhuǎn)角電子學(xué)調(diào)控轉(zhuǎn)角石墨烯中的低能電子局域態(tài)，利用電勢(shì)起伏構(gòu)造特異性探針，實(shí)現(xiàn)分子選擇性吸附和針尖增強(qiáng)拉曼光譜。

近日， 楊金龍?jiān)菏俊⒑鷤パ芯繂T 在 Nano Letters 上發(fā)表了關(guān)于利用轉(zhuǎn)角摩爾材料的局域態(tài)實(shí)現(xiàn)一種新型可控探針的研究。他們基于轉(zhuǎn)角電子學(xué)調(diào)控轉(zhuǎn)角石墨烯中的低能電子局域態(tài)，利用電勢(shì)起伏構(gòu)造特異性探針，研究了不同轉(zhuǎn)角、外加壓力下的局域態(tài)和針尖形狀變化，以及不同分子的吸附測(cè)量。

圖2. 平帶電子的局域態(tài)分布，在空間中產(chǎn)生了局域的強(qiáng)電勢(shì)分布

作者通過(guò)緊束縛模型計(jì)算驗(yàn)證了出現(xiàn)在摩爾紋AA區(qū)域的局域態(tài)，并通過(guò)比較魔角和非魔角情況，闡明了動(dòng)量空間平帶與實(shí)空間局域現(xiàn)象之間的關(guān)系。隨后，作者在局域分布的電子上加上碳原子的pz軌道，得到了一種針尖形狀的電勢(shì)面，并與密度泛函理論(DFT)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示，由于摩爾超晶格的尺度會(huì)隨轉(zhuǎn)角減小而增大，因此較大的轉(zhuǎn)角會(huì)導(dǎo)致更尖銳的針尖。對(duì)于這些較大轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角石墨烯，作者采用了壓縮層間距的方法來(lái)調(diào)控能帶，以使大轉(zhuǎn)角處的能帶具有扁平特征和低能電子局域化的實(shí)空間分布。

圖3. 等高度分子吸附能掃描

作者隨后研究了這種非實(shí)體針尖在分子探測(cè)方面的應(yīng)用。他們考慮了三種不同角度的轉(zhuǎn)角石墨烯體系，并沿著AB、AA到BA的路徑放置不同的分子進(jìn)行等高度掃描。吸附能的變化受到了AA區(qū)域處的局域態(tài)影響，呈現(xiàn)出V型或A型曲線，代表了不同分子對(duì)于該局域態(tài)的不同傾向。

圖4. 轉(zhuǎn)角石墨烯結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及分子吸附對(duì)于襯底的影響

該團(tuán)隊(duì)還對(duì)轉(zhuǎn)角石墨烯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分子吸附對(duì)局域態(tài)的影響進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)，在外加壓強(qiáng)下進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化不會(huì)破壞平帶結(jié)構(gòu)，在2.88°轉(zhuǎn)角的體系中，平帶和電子局域性都表現(xiàn)出很好的魯棒性。同時(shí)，在水分子的吸附能測(cè)量中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后吸附能曲線呈現(xiàn)一致的上凸形，證明了量子轉(zhuǎn)角SPM的穩(wěn)定性。最后，通過(guò)局域態(tài)密度的計(jì)算，作者指出所吸附的分子對(duì)轉(zhuǎn)角石墨烯表面的影響相對(duì)較小，并指出該探針可用于無(wú)損測(cè)量。

圖5. 量子轉(zhuǎn)角探針在針尖增強(qiáng)拉曼光譜中的應(yīng)用

除了作為分子探針，量子轉(zhuǎn)角SPM的另一個(gè)應(yīng)用是針尖增強(qiáng)拉曼光譜(TERS)。通過(guò)將分子固定在某個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域，該探針?biāo)园l(fā)提供的強(qiáng)電場(chǎng)可以類(lèi)似于TERS方法中金屬顆粒產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)，從而放大拉曼信號(hào)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，轉(zhuǎn)角石墨烯既作為襯底又作為針尖，而且石墨烯材料本身具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。

這項(xiàng)工作為掃描探針顯微技術(shù)提供了一種新的思路，利用二維材料的局域態(tài)構(gòu)造探針。結(jié)合轉(zhuǎn)角電子學(xué)，更多轉(zhuǎn)角摩爾材料可被應(yīng)用到轉(zhuǎn)角型探針的研究當(dāng)中。

該工作曾獲得中國(guó)化學(xué)會(huì)第33屆學(xué)術(shù)年會(huì)優(yōu)秀墻報(bào)獎(jiǎng)。相關(guān)論文發(fā)表在 Nano Letters 上，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生 柯逸凡 和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生 萬(wàn)凌云 為文章的共同第一作者，  楊金龍 教授和 胡偉 研究員為通訊作者。

掃描二維碼閱讀英文原文

Nano Lett.  2024, ASAP

Publication Date: April 2, 2024

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00205

Copyright ? 2024 American Chemical Society