Mistura de moiré
Natureza (2023)Cite este artigo
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Detalhes das métricas
A montagem de Van der Waals permite o projeto de estados eletrônicos em materiais bidimensionais (2D), muitas vezes sobrepondo um potencial periódico de longo comprimento de onda em uma rede cristalina usando superredes moiré 1,2,3,4,5,6,7,8, 9. Essa abordagem twistrônica resultou em inúmeras físicas anteriormente não descritas, incluindo fortes correlações e supercondutividade em grafeno de bicamada torcida , excitons ressonantes, ordenação de carga e cristalização de Wigner em estruturas moiré de calcogeneto de metais de transição . e espectros de borboleta de Hofstadter e oscilações quânticas de Brown-Zak em superredes de grafeno . Além disso, a twistrônica tem sido usada para modificar estados próximos à superfície na interface entre os cristais de van der Waals . Aqui mostramos que os estados eletrônicos em cristais tridimensionais (3D), como o grafite, podem ser ajustados por um potencial de super-rede que ocorre na interface com outro cristal - ou seja, nitreto de boro hexagonal cristalograficamente alinhado. Este alinhamento resulta em várias transições Lifshitz e oscilações Brown-Zak decorrentes de estados próximos à superfície, enquanto, em campos magnéticos elevados, os estados fractais da borboleta de Hofstadter penetram profundamente na maior parte do grafite. Nosso trabalho mostra uma maneira pela qual os espectros 3D podem ser controlados usando a abordagem da twistrônica 2D.
Na superfície de um cristal, sua rede periódica é interrompida e surgem estados de superfície com funções de onda decaindo exponencialmente na maior parte do cristal . Por exemplo, o acúmulo de carga superficial em semicondutores leva a subbandas 2D distintas, sintonizáveis por controle eletrostático. Por outro lado, nos metais, a alta densidade do portador de carga torna difícil observar e controlar os estados da superfície, uma vez que o volume desvia a condutividade da superfície. Entre esses dois extremos estão os semimetais, como o bismuto e a grafite, que possuem estados de superfície ajustáveis que são interessantes, mas permanecem pouco explorados. Os filmes de grafite são de interesse, pois mostram propriedades eletrônicas 3D e 2D controladas por dopagem elétrica e um campo magnético externo B. Notavelmente, a grafite de espessura finita exibe um efeito Hall quântico (QHE) 2,5-dimensional (2,5D) incomum .
Neste artigo, exploramos a engenharia moiré de estados eletrônicos altamente sintonizáveis, alinhando dois cristais em massa, grafite hexagonal e nitreto de boro hexagonal (hBN). Para este fim, preparamos heteroestruturas hBN / grafite / hBN alinhando filmes finos de grafite (cerca de 5–10 nm de espessura) no topo do substrato hBN e encapsulando a pilha com outro cristal hBN. Salvo indicação em contrário, este último hBN encapsulado está intencionalmente desalinhado (ver Métodos, 'Fabricação de dispositivos' para obter detalhes). Como as constantes de rede de hBN e grafite são próximas, no heterostack, elas formam uma superrede moiré com a periodicidade controlada pela incompatibilidade de rede, δ = 1,8%, e um ângulo de desalinhamento, θ (Fig. 1a). Além de fornecer a superrede moiré, o encapsulamento hBN também preserva a alta qualidade eletrônica dos filmes de grafite26,27,28. A Figura 1a-c mostra esquemas e micrografias das heteroestruturas hBN / grafite / hBN, fabricadas em dispositivos de barra Hall e geometria Corbino. Nestes dispositivos, as portas eletrostáticas superior e inferior foram utilizadas para controlar independentemente as densidades de portadoras nt e nb, nas interfaces superior e inferior da heteroestrutura hBN/grafite/hBN. No total, estudamos 11 dispositivos heteroestruturados de grafite (Tabela de Dados Estendidos 1).
a, Esquema de um dispositivo heteroestruturado com grafite (rotulado Grt) encapsulado em hBN com uma das interfaces alinhada. Aqui, a incompatibilidade de rede entre grafite e hBN foi exagerada para maior clareza. b,c, Micrografias ópticas dos dispositivos D1 (b) e D3 (c). Barra de escala, 10 μm (b e c). d, Condutividades σxx e σxy em função da densidade de portadores induzida pela porta inferior, nb, para o dispositivo alinhado D1 e o dispositivo não alinhado D4, medido em T = 0,24 K e não quantizante B = 120 mT. e, A linha corta a relação de dispersão calculada no plano kx – ky do SBZ, em densidades de portadoras (de baixo para cima) n (×1012 cm−2) = −3,8, −3,6, −2,1, −2,0, 1,9, 2.3, 3.6 e 3.9, agrupados em pares. Os rótulos A, B, C e D correspondem às regiões destacadas em d. O hexágono tracejado preto denota o limite do primeiro SBZ e as curvas vermelhas denotam o buraco e as curvas azuis denotam cortes da superfície Fermi do elétron. Algumas linhas nos cantos são estendidas para o segundo SBZ para maior clareza.