石墨烯，Nature Nanotechnology！

背景介紹

石墨多型體是指石墨烯層間以不同順序堆疊形成的結構變體，例如伯納爾（ABA）和菱面體（ABC）堆疊。這些堆疊順序的差異會顯著影響材料的物理性質，包括本征極化、軌道磁性和非常規超導性等。以往在不同多型體之間進行切換通常需要微米尺度的疇結構和微牛頓量級的加載力，這嚴重限制了其在多鐵性功能器件中的實際應用。近年來，基于二維材料層間滑移的堆疊序調控成為研究熱點，尤其是在六方氮化硼和過渡金屬二硫化物等體系中觀察到了界面鐵電性和極化切換。然而，在石墨烯多層體系中實現高效、低能耗的堆疊切換仍面臨挑戰，主要障礙在于邊界孤子的釘扎效應和納米尺度下對稱性恢復導致的動力學僵化。本文通過設計一種“超潤滑多型體陣列”（SLAP）結構，在納米腔體中實現了石墨烯四層體的伯納爾與菱面體堆疊之間的可逆轉換，為二維多鐵性器件的開發提供了新思路。

本文亮點

本研究實現了在納米尺度（腔體直徑可小至30納米）下石墨烯多型體的完全可逆轉換，所需橫向剪切力低于1納牛頓，每次切換能量低于1飛焦耳。其核心創新在于利用圖案化的不對齊間隔層在局域腔體內形成穩定的堆疊疇，而在腔體外利用超潤滑界面實現低摩擦、長程彈性弛豫。這為設計高密度、低能耗的納米電子器件和探索堆疊序相關的關聯物態提供了全新的平臺。

圖文解析

圖1. 超潤滑陣列中的可切換石墨多型體

要點：

圖1a展示了SLAP樣品的基本結構和導電原子力顯微鏡測量電路示意圖。該結構由一對取向一致的雙層石墨烯作為活性層，中間插入一個旋轉錯位的、帶有圓形腔陣列的單層石墨烯間隔層，整個樣品置于平整的六方氮化硼襯底上。這一巧妙設計使得活性層僅在腔體內直接接觸并鎖定為特定的堆疊多型體（伯納爾B或菱面體R），而在腔體外則通過超潤滑的失配界面解耦，允許層間幾乎無摩擦地滑動。圖1b的截面示意圖進一步闡明，腔體內黑色球體標記的八原子原胞分別對應B和R堆疊，而腔體外的淺藍色區域則代表超潤滑界面。這種結構既在局部創造了穩定的堆疊環境，又為腔體內部的應變提供了長程彈性弛豫的通道。圖1c的原子力顯微鏡形貌圖直觀顯示了樣品表面規則排列的圓形凹陷陣列，其深度約為0.33納米，對應于被去除的單層間隔層厚度，最小的腔體直徑可達30納米，證明了納米級圖案化制備的高精度。圖1d和e分別展示了在較低負載（約100納牛頓）下，進行高負載（約300納牛頓）切換掃描前后獲得的電流分布圖。通過電流對比可以清晰分辨出高電流的R型島嶼和低電流的B型島嶼。在高負載掃描后，約15%的島嶼發生了R與B之間的反轉，且沒有觀察到明顯的邊界條紋，這表明發生了整個島嶼堆疊序的集體切換，而不是孤立的邊界運動。圖1f-h通過連續掃描進一步追蹤了單個島嶼內部的切換動態，在高負載掃描線上觀察到的電流階躍式翻轉以及后續低負載圖像中島嶼的均勻性，證實了邊界孤子一旦成核便能自發傳播并湮滅，完成快速、非易失的切換，這凸顯了SLAP結構在降低滑動勢壘方面的有效性。

圖2. 不同間隔層扭轉角下的切換動力學

要點：

圖2研究了間隔層扭轉角度對切換動力學的影響，揭示了從低勢壘滑移到剛性疇結構的過渡。圖2a-b示意圖和電流圖展示了一個間隔層與活性雙層間扭轉角約為1.4度的樣品，其莫爾條紋周期約為10納米。在這種相對較小的扭轉下，腔體內會形成致密的位錯網絡。圖2c-d顯示，在單次高負載線掃描過程中，腔體內的B-R邊界條紋會發生蜿蜒移動，這表明邊界在掃描力的驅動下發生了瞬時位移。然而，圖2e-f表明，在掃描之間或低負載條件下，這些邊界條紋會松弛回其初始位置，意味著此時的切換是可逆的或未完成的，邊界被某種勢阱所釘扎。這體現了當間隔層與活性層接近對齊時，形成的莫爾勢阱會束縛邊界運動，抑制非易失性切換。圖2g-k則展示了另一種樣品，其活性雙層之間存在輕微的固有扭轉，形成了約75納米的三角形莫爾圖案，而間隔層又存在微小的梯度扭轉。圖中分別用橙色和紫色框標記了被不同扭轉角度（約0.3度和1.4度）間隔層包圍的腔體。有趣的是，間隔層扭轉角較大（約1.4度）時，邊界條紋傾向于被“推”出腔體，導致腔外孤子網絡更密集；而扭轉角較小（約0.3度）時，情況則相反。這表明較高的間隔層不對齊度（更大扭轉角）增強了腔體外的超潤滑性，有利于應變釋放和孤子滑出；而較低的間隔層不對齊度（更小扭轉角）則增強了腔體外的摩擦力，并提升了由間隔層介導的五層結構孤子（涉及兩個界面變形）的能量成本，從而改變了重排動力學，阻礙了活性島嶼的切換。這些結果系統地證明了通過調控間隔層的扭轉角度，可以精細控制邊界孤子的動力學行為和堆疊疇的穩定性。

圖3. 間隔層介導的堆疊構型之間的邊界條紋

要點：

圖3旨在可視化伴隨腔體內切換而在腔體外發生的層間位移和長程應力弛豫。圖3a展示了在較高負載下測得的SLAP樣品電流圖，圖中清晰地顯示出由間隔層介導的莫爾圖案，這些圖案表現為被暗色邊界條帶分隔的亮色擴展疇。圖3b的示意圖解釋了這些圖案的起源，它們源于活性雙層通過失配的間隔層傳遞的面內彈性弛豫。作者將亮疇歸因于間隔層介導的B堆疊（電流較高），暗帶歸因于間隔層介導的R堆疊或更低對稱性的堆垛。圖3a左下角的六邊形疇形態支持了這一歸屬，當不同堆垛間的能量差異明顯時，平面原子弛豫會擴展低能態。一個關鍵觀察是，暗色的間隔層介導條帶傾向于穿過處于R態的腔體，而避開B堆疊的腔體。圖3c-d的放大圖像展示了當腔體從R切換到B配置時，原來穿過該腔體的暗色條帶（由淺藍色虛線箭頭標記）會隨之移出腔體區域。這直接證明了腔體內的堆疊切換會通過彈性耦合，影響腔體外數十納米范圍內的應力分布和堆疊構型。圖3f-i通過力場模擬了不同尺寸腔體周圍的馮·米塞斯應力分布。對于較大腔體（如50納米），模擬結果在腔體內顯示出寬度約7納米的邊界條帶和約5吉帕的應力變化。而對于更小的腔體（如20納米），這些孤子會自發地被推出腔體，應力在遠離腔體中心達50納米的整個區域內得到弛豫。模擬與實驗共同證實了超潤滑介質支持的長程彈性弛豫效應，這種效應為相鄰島嶼之間提供了天然的彈性相互作用通道。

圖4. 使用窄通道耦合腔體

要點：

圖4展示了通過設計連接腔體的窄通道來調控島嶼間耦合和降低切換矯頑力的策略。圖4a-b展示了一個使用六層hBN作為間隔層的樣品，其中狹窄的通道連接了兩個較大的腔體。這種結構將大部分邊界線限制在通道收縮區內，從而降低了相關的能量成本。圖4c-h則以單層石墨烯為間隔層的樣品為例，展示了約20納米寬的通道連接約150納米直徑腔體的情況。地形圖（圖4c）顯示通道為暗色溝槽，而相應的電流圖（圖4d-f）則顯示被限制在通道內的邊界條帶（用淺藍、橙、黃色高亮）驅動著可控的島嶼切換。通過控制AFM針尖沿特定路徑掃描，可以推動邊界條帶移動。例如，以高于300納牛頓的負載推動邊界（及其遠程延伸部分）穿過兩個下部腔體，可將其堆疊從B翻轉為R。相比之下，僅推動邊界沿通道移動而不跨越腔體，所需負載小得多（約70納牛頓，對應剪切力約5納牛頓）。圖4d-h的序列（在近零摩擦力成像條件下獲得）展示了通過沿通道驅動連續邊界，實現對四個腔體的獨立控制。此外，作者還觀察到在足夠干凈的樣品中，孤子在剪切掃描過程中會自發滑向通道的狹窄區域，這表明局部頸縮會釘扎孤子，并在相鄰腔體處引入多型體切換勢壘。通過設計具有直邊平行壁的狹窄矩形通道，可以將推動孤子所需的剪切力降至驚人的1納牛頓以下。圖4i-r的力場模擬進一步支持了實驗結果，模擬的應力分布和勢能圖顯示，間隔層介導的位錯的弛豫長度（約30納米）遠大于通道區域內連續層間位錯的弛豫長度（約7納米），且其能量成本低一個數量級，這與彈性理論估算和實驗觀察到的低摩擦特性一致。

總結與展望

本文成功地在納米尺度實現了石墨烯伯納爾與菱面體堆疊多型體之間的高效、可逆切換，所需剪切力低于1納牛頓，能量消耗低于1飛焦耳。其核心突破在于設計了“超潤滑多型體陣列”結構，利用圖案化的不對齊間隔層在局域腔體內誘導形成穩定的單疇堆疊，同時在腔體外提供超潤滑界面以實現長程彈性弛豫和極低摩擦滑動。研究揭示了邊界孤子成核與自發傳播的機制，并通過調控間隔層扭轉角、腔體幾何形狀以及引入連接通道，實現了對切換閾值、動力學及島嶼間彈性耦合的精細工程操控。

這項工作為基于二維材料堆疊序的多鐵性功能器件開發開辟了全新路徑。所展示的納米尺度、低能耗、非易失性切換能力，有望應用于高密度存儲、可重構電子學及神經形態計算元件。同時，該平臺為在納米限域空間中研究堆疊序相關的平帶電子結構、關聯物態（如超導、反常量子霍爾效應）及其動態調控提供了理想實驗體系。未來研究可將此架構拓展至其他具有堆疊依賴性質的二維材料家族，并探索純電場驅動切換的可能性，進一步推動“滑移電子學”向實用化器件發展。

來源：研之成理