近日，北京大學物理學院量子材料科學中心、電子顯微鏡實驗室高鵬課題組，與凝聚態物理與材料物理研究所劉開輝課題組、中國科學院大學和中國科學院物理研究所張余洋課題組等合作，利用透射電子顯微鏡的電子能量損失譜測量并結合第一性原理計算，揭示了h-BN/石墨烯異質結構中的轉角關聯耦合效應。研究發現，角度依賴的層間摩爾勢改變了石墨烯的能帶結構，導致石墨烯M點層內帶間躍遷能量紅移，并且晶格相對扭轉誘發的h-BN的布里淵區相對于石墨烯M點的旋轉也貢獻了新的帶間躍遷途徑。結果表明，在堆垛的二維材料器件中需要仔細考慮扭轉耦合效應帶來的影響避免意外干擾；同時，轉角連續可調的帶間躍遷也可以為新型光電器件設計提供新的自由度。該研究成果以《轉角h-BN/石墨烯中的可調帶間躍遷》（“Tunable Interband Transitions in Twisted h-BN/Graphene Heterostructures”）為題，于7月5日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters 2023, 131, 016201）。
二維材料體系擁有豐富的電子態結構。同時，它們層間由范德華力連接，在異質結構組裝過程中對晶格匹配沒有限制，因此很容易設計并制備出特殊的堆疊結構，這為許多復雜的界面結構、物性調控提供了可能性。其中，二維材料之間的相對轉角為材料的帶隙工程提供了新的設計自由度，也為許多新穎的物理現象提供了研究平臺。例如，雙層石墨烯中連續可調的范霍夫奇點和其誘發的魔角石墨烯超導現象、h-BN/石墨烯異質結構中的第二級狄拉克錐、以及轉角過渡金屬硫族化合物中的摩爾激子等。
在基于范德華異質結構的光電器件中，h-BN和石墨烯經常分別被用于制備絕緣封裝層和電極材料。其中，h-BN作為一種絕緣體材料，擁有良好的化學穩定性，表面沒有懸掛鍵，適宜作為襯底或封裝層，保護其他脆弱的二維材料（比如過渡金屬硫族化合物、黑磷等），使其免于暴露在環境中被氧化或污染，同時避免對這些材料的本征物性產生影響。而作為一種二維半金屬材料，石墨烯具有平坦的表面和超高的面內電導率，在一些光電器件中，常被用于創造材料的電學接觸。然而，在類似的體系中，石墨烯和h-BN的接觸事實上會產生新的異質界面，它們之間的摩爾勢可能會影響能帶結構。特別是在一些特殊轉角結構中，重疊的能帶會產生很多新的帶間躍遷途徑，有可能對器件的電學或光學性質產生影響。
在最近發表的工作中，北京大學-國科大研究團隊結合透射電子顯微鏡-電子能量損失譜測量技術和第一性原理計算，發現轉角h-BN/石墨烯異質結構中的帶間躍遷表現出了強烈的轉角依賴關系：隨著轉角增加，層間摩爾勢改變使石墨烯層內帶間躍遷能量紅移，在轉角增加至30°時，該躍遷能量共計紅移了0.22eV；同時，石墨烯導帶M點附近平坦的能帶結構為h-BN價帶電子提供了新的躍遷終點，誘發了兩支能量甚至低于h-BN禁帶寬度的層間躍遷途徑，當轉角在0—30°范圍內變化時，層間躍遷能量分別在5.6—5.1eV和4.7—5.1eV范圍內連續改變。
該研究表明，即使在二維絕緣體和半金屬材料之間的轉角異質界面（如h-BN和石墨烯）中，也可能由于層間的摩爾勢的作用，使躍遷能量隨轉角變化而改變，甚至誘發新的層間躍遷。因此，在類似包含二維異質界面的器件中，這些界面耦合效應應該被仔細考慮，以防止產生意外的躍遷途徑或導致材料本身躍遷能量的移動，從而影響到器件性能和測量結果。此外，h-BN/石墨烯異質結構的轉角關聯使其層內和層間的躍遷能量連續可調，為制造具有指定波長的新型二維光電器件創造了可能的條件。
轉角h-BN/石墨烯異質結構中帶間躍遷的測量。(a)STEM-EELS光路示意圖。(b-c)轉角分別為5.6°、10.3°、15.5°、21.9°和28.2°的h-BN/石墨烯異質結構的衍射(b)和HAADF圖像(c)，(c)圖中，標尺長度為1nm。(d) 不同轉角的h-BN/石墨烯EELS譜線。(e) 以24°EELS結果為例的分峰方法展示，采用高斯峰形擬合。(f)從(d)中提取出的躍遷能量，其中，誤差桿由多次重復測試得到
北京大學前沿交叉學科研究院2018級博士研究生劉秉堯、中國科學院大學物理系2018級碩士研究生張雨田、南京航空航天大學國際前沿科學研究院喬瑞喜特聘副研究員（此前為北京大學物理學院博士后）為文章共同第一作者，劉開輝、高鵬、張余洋為論文通訊作者。