奈米結構與低維材料

摩爾超結構(moire superstructure)

/ mwah-RAY /

把兩片細密的紗窗疊在一起、把其中一片轉動一絲一毫:立刻有一組明暗相間的粗大條紋橫掃而過,遠比任一片紗窗的細小網目大得多。那個大圖案就是摩爾紋(讀作 mwah-RAY),只要兩個規則圖案略微錯位地重疊,它就會出現。把兩片原子薄片——比方說兩層石墨烯——之間帶著一個小扭轉疊起來,它們的兩個蜂巢晶格就會以完全相同的方式互相拍擊,產生摩爾超結構:一個騎在原子晶格之上、全新而大得多的週期圖案。

這個幾何是精確的。若每片的晶格間距為 a,你把其中一片扭轉一個小角度 theta(以弧度計),摩爾圖案的重複週期 L 大約是 a 除以 theta——遠大於 a,且隨著扭轉角朝零縮小而無上限地增大。對石墨烯而言,a 約 0.246 奈米,1.1 度(約 0.019 弧度)的扭轉給出約 13 奈米的摩爾週期——橫跨數十個原子。摩爾紋不是由任何新原子構成的;它是一個圖案,描述你在樣品上移動時,兩個晶格恰好對齊得多好,在局部對齊與局部錯開的區域之間交替。

這很重要,因為那個長波長的摩爾紋對電子的作用,就像在原子景觀之上疊了一個溫和的新週期地景——而在特殊扭轉角附近(扭轉雙層石墨烯中著名的、約 1.1 度的魔角),它把電子能帶壓得如此平坦,以致出現包括超導在內的新集體態。整個扭轉電子學領域把扭轉角變成一個結構設計的旋鈕。不過老實說,一般的扭轉給出的是永不精確重複的非公度結構;摩爾紋是一個真實、可見的近似週期性,並不總是一個真正的晶體學晶格。

在一張兩片石墨烯扭轉約 1 度的掃描穿隧顯微鏡影像中,單個碳原子細得幾乎看不見,但一組明暗斑塊構成的醒目三角形圖案卻突顯出來,大約每 13 奈米重複一次。那個大圖案就是摩爾紋——寬達數十個原子——光憑它的尺寸就能告訴你兩片之間的扭轉角。

把兩個晶格扭轉 theta,它們拍擊成週期 L ~ a/theta 的摩爾紋——一個小角度造出的巨大超結構。

摩爾紋是兩個晶格如何重疊的拍頻圖案,而非由新原子構成的晶格——原子從未移動去形成它。而且摩爾紋只有在特殊的公度扭轉角時才是真正的週期超晶格;在一般角度下堆疊是非公度的,圖案只是近似週期。

又称
moire patternmoire superlatticetwist superlattice疊紋超結構扭轉超晶格