研究背景
石墨烯因其優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)及機(jī)械性能，被廣泛應(yīng)用于傳感器、儲(chǔ)能設(shè)備、電子器件等領(lǐng)域。尤其是二維石墨烯材料，因其特殊的電子結(jié)構(gòu)，成為研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子現(xiàn)象的新平臺(tái)。與傳統(tǒng)的單層或雙層石墨烯材料相比，多層石墨烯，尤其是菱形堆疊結(jié)構(gòu)（RG），由于具有較為平坦的低能帶，提供了額外的物理學(xué)研究?jī)r(jià)值。然而，雖然RG材料在理論上具備豐富的電子關(guān)聯(lián)特性，但關(guān)于其多層結(jié)構(gòu)中電子結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)效應(yīng)的研究仍然有限，這一領(lǐng)域的探索面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，湖南大學(xué)殷隆晶教授、秦志輝教授以及河北師范大學(xué)王文曉教授攜手在“Nature Nanotechnology”期刊上發(fā)表了題為“Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了從3層到9層的高質(zhì)量RG材料，并利用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜學(xué)（STS）技術(shù)，首次揭示了RG多層材料中層數(shù)依賴(lài)的電子結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)狀態(tài)。研究表明，隨著層數(shù)的增加，RG中的低能扁帶進(jìn)一步平坦化，并且層間相互作用呈現(xiàn)出顯著的層依賴(lài)性。 特別地，在液氮溫度下，當(dāng)這些低能扁帶部分填充時(shí)，發(fā)現(xiàn)了約50至80meV的帶隙分裂，表明在較厚的RG中出現(xiàn)了由相互作用引發(fā)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)態(tài)。更重要的是，六層RG表現(xiàn)出最強(qiáng)的關(guān)聯(lián)態(tài)，驗(yàn)證了理論上的預(yù)測(cè)，并為進(jìn)一步研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理提供了新的候選材料。這一發(fā)現(xiàn)不僅為作者理解RG材料的層依賴(lài)電子性質(zhì)提供了新的視角，也為探索穩(wěn)定且易于制備的強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次在液氮溫度下，通過(guò)掃描隧道顯微鏡（STM）和譜學(xué)（STS）測(cè)量，觀察到3到9層菱形石墨烯（RG）中的電子結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)態(tài)，揭示了RG多層的層依賴(lài)性。 （2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析密度態(tài)（DOS）譜，得到了由扁帶引起的尖銳DOS峰，并發(fā)現(xiàn)隨著層數(shù)的增加，RG中的低能帶進(jìn)一步扁平化。通過(guò)提取層間耦合強(qiáng)度，確定了層數(shù)對(duì)帶結(jié)構(gòu)的影響。（3）實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量填充變化的STS，發(fā)現(xiàn)扁帶峰在部分填充時(shí)出現(xiàn)50至80meV的分裂，表明存在由相互作用引起的強(qiáng)關(guān)聯(lián)態(tài)。分裂能量范圍的變化與層數(shù)有關(guān)，且六層RG中觀察到的關(guān)聯(lián)態(tài)強(qiáng)度最大，直接驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。
圖文解讀
圖 2. 菱面體多層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)演變圖 3. 平帶 LDOS 峰的摻雜依賴(lài)性圖 4. 電子相關(guān)性的層依賴(lài)性
總結(jié)展望
本文通過(guò)STM/STS測(cè)量研究了隨著層數(shù)變化的RG帶結(jié)構(gòu)及其關(guān)聯(lián)相。發(fā)現(xiàn)的層數(shù)依賴(lài)的扁帶和層間躍遷強(qiáng)度為多層RG的基本帶結(jié)構(gòu)提供了重要信息。特別是，作者發(fā)現(xiàn)了在液氮溫度下持續(xù)存在的層增強(qiáng)的關(guān)聯(lián)態(tài)，并且在六層RG中觀察到最大的相互作用強(qiáng)度。這些在N<10的RG多層中觀察到的層依賴(lài)性關(guān)聯(lián)態(tài)揭示了幾個(gè)令人興趣的方面，可能激發(fā)進(jìn)一步的研究：（1）作者清晰地確定了CNP處LAF態(tài)的層依賴(lài)性，之前在RG（3L、4L、5L、6L及厚層）中表現(xiàn)得較為難以捉摸；（2）在液氮溫度下出現(xiàn)明顯的關(guān)聯(lián)態(tài)令人十分驚訝，盡管可能受到局部測(cè)量的影響?；谶@一發(fā)現(xiàn)，多層RG表現(xiàn)出一個(gè)有前景的系統(tǒng)，能夠在抗熱波動(dòng)方面承載高度可訪(fǎng)問(wèn)的集體現(xiàn)象；（3）此前僅在3層RG中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性，且需輕微摻雜。作者的結(jié)果表明，在3<N<10的RG中，關(guān)聯(lián)效應(yīng)增強(qiáng)，并伴隨著在多層中類(lèi)似摻雜區(qū)域表現(xiàn)出許多體行為，從而為研究穩(wěn)健或非常規(guī)超導(dǎo)性提供了豐富且簡(jiǎn)單的材料平臺(tái)。3<N<10的RG中，關(guān)聯(lián)效應(yīng)增強(qiáng)，并伴隨著在多層中類(lèi)似摻雜區(qū)域表現(xiàn)出許多體行為，從而為研究穩(wěn)健或非常規(guī)超導(dǎo)性提供了豐富且簡(jiǎn)單的材料平臺(tái)。Zhang, Y., Zhou, YY., Zhang, S. et al. Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01822-y
