二维材料中重叠的莫尔晶格产生了可调的量子特性和新的原子图案

一个联合研究小组通过莫尔晶格的叠加成功开发了一个二维（2D）量子材料平台。

该研究发表在《自然》杂志上，标题为“莫尔晶格莫尔中的非传统域镶嵌”。

这项研究由材料科学与工程系的Hyobin Yoo教授领导，与Young Woo Son教授（韩国高级研究所）和Changwon Park教授（梨花女子大学）合作，标志着对三层石墨烯系统中不同莫尔晶格叠加产生的分层结构和复杂层间相互作用的首次原子级鉴定。

这项工作有望为可编程量子器件和下一代电子材料的开发提供一个有前景的新固态平台。

“莫尔效应”是指当两个周期性图案叠加时出现的一种新图案。例如，重叠的网眼织物可以产生波浪状图案，电视屏幕上的条纹衬衫可能会显示出不寻常的网格效果。

近年来，科学家们发现这种视觉现象也可以从根本上改变材料中电子的行为。

电子的运动和状态对电子和量子器件的运行至关重要，与原子在材料中的排列和间隔密切相关。在典型的固体中，原子排列是固定的，因此很难控制材料的电子性质。

然而，在石墨烯等二维材料中，只有一个原子厚，通过轻微扭曲堆叠两层会产生一种新的超晶格图案，称为“莫尔晶格”。这创造了一种天然材料中没有的人工周期性，能够精确控制电子流和行为。因此，莫尔晶格作为量子技术和下一代电子产品的平台越来越受到关注。

虽然过去的研究主要集中在两层堆叠的“单莫尔结构”上，但堆叠三层或更多层可以形成和重叠不同的莫尔晶格，从而形成一种全新的层次结构，称为“莫尔晶格的莫尔”。由于每个莫尔周期都可以独立调整，这种配置大大提高了控制电子态的自由度。

尽管有潜力，但这些多莫尔结构背后的机制仍然知之甚少。研究这种复杂结构的形成方式以及层间相互作用如何控制它们的行为，对于未来设计更复杂的电子系统至关重要。

联合研究小组将三层石墨烯堆叠在一起，仔细控制扭曲角度，形成重叠的莫尔晶格。使用高分辨率透射电子显微镜（TEM），他们直接观察到原子重排自发出现的新晶格图案，包括以前未报道的三角形、kagome和六边形图案。

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这些模式表现为原子自组织成能量有利的构型，这种行为仅靠最近层相互作用无法解释。该团队揭示，非相邻层之间也存在微弱但至关重要的相互作用，在决定整体结构方面发挥着重要作用。

由于这些复杂的层间相互作用，由此产生的分层晶格模式和独特的物理性质仅在三层和较厚的多层系统中表现出来。

为了阐明这些结构，该团队将透射电子显微镜测量与计算模拟相结合，并报告了一个“结构相图”，该图描绘了各种畴晶格如何作为扭曲角的函数出现。该相图有望为未来使用多莫尔晶格设计量子材料提供有价值的指导。

这项研究表明，即使在复杂的多莫尔系统中，也可以精确地设计分层原子排列和电子态，超越了单莫尔结构的局限性。独立控制两个莫尔周期的能力为设计电子特性提供了更大的自由度。

此外，该团队成功地揭示了分层莫尔结构中的新量子力学现象，并设计了新的方法，从材料科学和物理学的角度阐明了它们的行为。这些进展有望为未来的二维量子材料平台提供更复杂的材料设计，并为开发新型电子和计算设备奠定基础。

领导这项研究的Hyobin Yoo教授表示：“这项研究表明，莫尔结构不仅仅是视觉模式，它们可以作为工程原子相互作用和电子态的强大工具。莫尔晶格的莫尔中看到的分层晶格形成和长程层间相互作用为材料设计开辟了全新的途径。”

他补充道：“未来，我们预计这项研究将导致‘可编程材料’的发展，其电子特性和晶格结构可以通过电场等外部刺激进行主动调节，为下一代电子和量子技术的应用铺平道路。”作者Daesung Park在硕士学习期间使用TEM对扭曲范德华（vdW）材料中的莫尔晶格进行了研究。

他目前在三星电子担任工艺架构（PA）工程师，专注于设计和开发先进的半导体制造工艺，以提高性能和成本效益。p