一篇Science封面关乎2项诺奖成果：石墨烯准晶中发现狄拉克锥！

xiaoxiao

2018-08-24

第一作者：Sung Joon Ahn, Pilkyung Moon, Tae-Hoon Kim

通讯作者：Young-Woo Son, Cheol-Woong Yang, Joung Real Ahn

通讯单位：Sungkyunkwan University

研究亮点：

1. 大面积精准生长30°扭曲角度的双层石墨烯准晶。

2. 实验上证实石墨烯准晶中存在狄拉克锥, 揭示了不同寻常的层间偶联机制。

准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体，准晶的发现从根本上改变了以往化学家对物体的构想。还记得那个段子吗？“准晶，我先发现的，但没告诉导师，因为毕业比诺奖重要！”2011年，诺贝尔化学奖授予以色列科学家达尼埃尔·谢赫特曼，以表彰他“发现了准晶”这一突出贡献。

图1. 诺奖得主达尼埃尔·谢赫特曼

准晶中存在一定的旋转有序度，但是缺乏平移对称性，在物理研究中常被拿来探索晶体和无序固体之间的特殊电子性能。其中，具有30°扭曲角度的准晶双层石墨烯，是近年来准晶研究的热点问题，尤其是为镜像狄拉克锥提供了一个重要的载体。

譬如今年6月，清华大学周树云团队以30°扭角形成的准晶双层石墨烯作为研究对象，在电子结构中观察到独特的镜像狄拉克锥，揭示了描述层间耦合作用的更普适的新机制。

图2. 30°扭角双层石墨烯准晶中镜像狄拉克锥可能的形成机理

Wei Yaoet al. Quasicrystalline 30° Twisted Bilayer Graphene as an Incommensurate Superlattice with Strong Interlayer Coupling. PNAS(2018) https://doi.org/10.1073/pnas.1720865115

今日凌晨，Science封面报道了Young-Woo Son, Cheol-Woong Yang和Joung Real Ahn等多个研究团队关于在30°扭角双层石墨烯准晶中发现狄拉克锥的最新成果。

图3. 双层石墨烯准晶

研究人员在4H-SiC基底上生长得到mm尺度的双层石墨烯，层间扭曲角度精确控制在30°，具有十二边形旋转有序度。电子衍射和显微镜证实了准晶的形成，而角度分辨光发射谱则观察到多种具有12重旋转对称性的狄拉克锥，揭示了不同寻常的层间电子准周期性偶联机制。

狄拉克锥不是石墨烯的专属。所谓狄拉克锥是指一种独特的能带结构，其能带在分离填充和未填充电子的费米能级处呈上下对顶的圆锥形。研究发现，具有狄拉克锥能带结构的材料，具有许多优异的物理性质，比如非常高的载流子迁移率和反常量子霍尔效应等。虽然，狄拉克锥在石墨烯和硅烯等二维纳米材料中相继被发现。但只有石墨烯中的狄拉克锥真正地被实验所证实。

本段文字来源于宮非

总之，这项研究为探索具有全新物理性质的新材料带来了新思路。

图4.石墨烯准晶的LEED图案和TEM照片

图5. 石墨烯准晶的ARPES谱中的能量分布图

图6. 石墨烯准晶的电子结构计算

图7. 石墨烯准晶的ARPES谱和费米速度

参考文献：

ung Joon Ahn, Pilkyung Moon, Tae-Hoon Kim, oung-Woo Son, Cheol-Woong Yang, Joung Real Ahn et al. Dirac electrons in a dodecagonal graphene quasicrystal. Science 2018, 361, 782-786.

http://science.sciencemag.org/content/361/6404/782