研究背景
石墨烯因其優異的電學、熱學及機械性能，被廣泛應用于傳感器、儲能設備、電子器件等領域。尤其是二維石墨烯材料，因其特殊的電子結構，成為研究強關聯電子現象的新平臺。與傳統的單層或雙層石墨烯材料相比，多層石墨烯，尤其是菱形堆疊結構（RG），由于具有較為平坦的低能帶，提供了額外的物理學研究價值。然而，雖然RG材料在理論上具備豐富的電子關聯特性，但關于其多層結構中電子結構和關聯效應的研究仍然有限，這一領域的探索面臨著巨大的挑戰。為了解決這一問題，湖南大學殷隆晶教授、秦志輝教授以及河北師范大學王文曉教授攜手在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene”的最新論文。該團隊設計并制備了從3層到9層的高質量RG材料，并利用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜學（STS）技術，首次揭示了RG多層材料中層數依賴的電子結構和關聯狀態。研究表明，隨著層數的增加，RG中的低能扁帶進一步平坦化，并且層間相互作用呈現出顯著的層依賴性。 特別地，在液氮溫度下，當這些低能扁帶部分填充時，發現了約50至80meV的帶隙分裂，表明在較厚的RG中出現了由相互作用引發的強關聯態。更重要的是，六層RG表現出最強的關聯態，驗證了理論上的預測，并為進一步研究強關聯物理提供了新的候選材料。這一發現不僅為作者理解RG材料的層依賴電子性質提供了新的視角，也為探索穩定且易于制備的強關聯系統奠定了基礎。
研究亮點
（1）實驗首次在液氮溫度下，通過掃描隧道顯微鏡（STM）和譜學（STS）測量，觀察到3到9層菱形石墨烯（RG）中的電子結構和關聯態，揭示了RG多層的層依賴性。 （2）實驗通過分析密度態（DOS）譜，得到了由扁帶引起的尖銳DOS峰，并發現隨著層數的增加，RG中的低能帶進一步扁平化。通過提取層間耦合強度，確定了層數對帶結構的影響。（3）實驗通過測量填充變化的STS，發現扁帶峰在部分填充時出現50至80meV的分裂，表明存在由相互作用引起的強關聯態。分裂能量范圍的變化與層數有關，且六層RG中觀察到的關聯態強度最大，直接驗證了理論預測。
圖文解讀
總結展望
本文通過STM/STS測量研究了隨著層數變化的RG帶結構及其關聯相。發現的層數依賴的扁帶和層間躍遷強度為多層RG的基本帶結構提供了重要信息。特別是，作者發現了在液氮溫度下持續存在的層增強的關聯態，并且在六層RG中觀察到最大的相互作用強度。這些在N<10的RG多層中觀察到的層依賴性關聯態揭示了幾個令人興趣的方面，可能激發進一步的研究：（1）作者清晰地確定了CNP處LAF態的層依賴性，之前在RG（3L、4L、5L、6L及厚層）中表現得較為難以捉摸；（2）在液氮溫度下出現明顯的關聯態令人十分驚訝，盡管可能受到局部測量的影響。基于這一發現，多層RG表現出一個有前景的系統，能夠在抗熱波動方面承載高度可訪問的集體現象；（3）此前僅在3層RG中發現了超導性，且需輕微摻雜。作者的結果表明，在3<N<10的RG中，關聯效應增強，并伴隨著在多層中類似摻雜區域表現出許多體行為，從而為研究穩健或非常規超導性提供了豐富且簡單的材料平臺。3<N<10的RG中，關聯效應增強，并伴隨著在多層中類似摻雜區域表現出許多體行為，從而為研究穩健或非常規超導性提供了豐富且簡單的材料平臺。Zhang, Y., Zhou, YY., Zhang, S. et al. Layer-dependent evolution of electronic structures and correlations in rhombohedral multilayer graphene. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01822-y
