上海科技大学Advanced Materials：双层石墨烯Kagome超晶格中的相关绝缘态堆叠

成果介绍

石墨烯基体系已成为探索涌现量子现象的丰富平台——包括超导电性、磁性和相关绝缘行为，这些现象源于增强多体相互作用的平电子带。迄今为止，实现此类平带主要依赖于莫尔石墨烯超晶格或菱面体堆叠石墨烯体系，但二者在可重复性和可调性方面均面临挑战。

鉴于此，上海科技大学柳仲楷研究员、寇煦丰教授、刘健鹏研究员、李乔（共同通讯作者）介绍了一种在双层石墨烯中构建的人工Kagome超晶格，通过对介电衬底进行纳米图案化处理，形成精确定义且可静电调控的周期势场。磁输运测量结果显示，在中等强度超晶格势场作用下，体系涌现出堆叠式相关绝缘态，这是Kagome诱导平带内强电子-电子相互作用的特征。随着温度升高，这些相关能隙逐渐坍缩，标志着相互作用驱动态的热抑制效应。连续模型计算证实了多个平带微带的形成，并复现了观测到的能带重构演化过程。我们的研究结果表明，介电图案化石墨烯超晶格可作为超越莫尔体系的鲁棒可控架构，用于实现平带诱导的相关现象。

图文导读

图1 双层石墨烯Kagome超晶格的器件架构与表征。(a) 双层石墨烯（BLG）Kagome超晶格器件的结构示意图。该超晶格势场由周期为104纳米的纳米图案化SiO₂/Si衬底诱发。(b) 所制BLG器件的光学显微图，呈现多端霍尔巴结构。白色虚线轮廓标示石墨顶栅区域，绿色虚线轮廓标示图案化SiO₂区域。比例尺：5微米。(c) 图案化SiO₂衬底的原子力显微镜图像，展示了均匀分布的刻蚀孔洞构成的Kagome晶格阵列。红色箭头标示输运通道中的电流方向。比例尺：200纳米。(d) 双栅极静电配置示意图。通过石墨顶栅（V_tg）和硅背栅（V_bg）独立调控载流子密度与超晶格势场。(e)V_bg = -20 V时的静电势分布模拟图，显示刻蚀孔洞内部与周围区域的电势差异，由此形成Kagome晶格超晶格势场V_SL。

图2 双层石墨烯Kagome超晶格在T = 100 mK下的输运特性。(a) 纵向电阻（R_xx）随载流子密度（n）和超晶格势场（V_SL）变化图谱。 (b) V_SL = 7 V时R_xx随n和磁场（B）变化图谱。(c-d)V_SL分别为−27 V (c) 和 −39 V (d)时的R_xx图谱，显示了源自更高能带带隙（Δ_HEB1 和 Δ_HEB2）的额外朗道扇。它们的第零朗道能级由黑色虚线标出。(e) 在B = 1 T、V_SL = 7 V条件下，R_xx和霍尔电阻（R_xy）随n变化的曲线。R_xx呈现单个电阻极大值，R_xy在CNP附近显示符号变化。(f) 在B = 1 T、V_SL = −27 V条件下，R_xx和R_xy曲线，表现出额外的电阻极大值和修正的R_xy斜率。(g) 在B = 1 T、V_SL = −39 V条件下，R_xx和R_xy曲线。多个R_xx峰值和陡峭的R_xy斜率表明在强凯克姆晶格调制下发生了复杂的能带结构演化。

图3 双层石墨烯Kagome超晶格中堆叠式相关绝缘态在T = 100 mK下的特征。(a) 从图2b中提取的高分辨率R_xx图谱，聚焦于载流子密度约为−7 × 10¹¹ cm⁻²的范围。(b) 沿载流子密度轴扣除背景后的R_xx微分图谱，显示出多个平行的极小值带。(c) 选定磁场下R_xx的线切割图，展示了具有相同斜率的极小值线性轨迹（虚线引导线）。(d) 图(b)的快速傅里叶变换（FFT）频谱，显示了四个不同的载流子密度周期。(e) 对应于图(b)中特征的朗道能级结构示意图；突出显示了几个代表性区间以说明四个特征载流子密度周期。(f) 从图(e)斜率中提取的朗道能级填充因子。嵌入的直方图显示平均填充因子为𝜐 ≈ −4，证实了R_xx极小值源于不同载流子密度下相同填充因子的朗道能级。

图4 高温（T = 10 K）下相关绝缘态的抑制。(a) 在与图3a相同的V_SL条件下，纵向电阻（R_xx）随载流子密度（n）和磁场（B）变化的图谱。(b) 沿n方向扣除背景后的R_xx微分图谱，与100 mK数据相比，极小值之间的间距变宽。(c) 代表性磁场下的R_xx线切割图；黑色虚线标记了对齐的极小值。(d) 图(b)的快速傅里叶变换（FFT）频谱，显示出一个占主导的载流子密度周期为 (4.3 ± 0.2) × 10¹⁰ cm⁻²，接近超晶格填充密度n_s，表明相关绝缘态受到了热抑制。

图5 不同Kagome超晶格势场下双层石墨烯的能带结构计算。在不同背栅电压（V_bg）下，凯克姆超晶格势场中双层石墨烯（BLG）重构能带结构的连续模型计算结果。(a) 在V_bg = 3 V时，电荷中性点（CNP）附近出现良好分离的平带（红色高亮），相应的能隙（Δ_CNP）由绿色阴影区域标示。(b) 在V_bg = −17 V时，更强的调制引发额外的能带重构，出现一个更高能量的能带隙（Δ_HEB1，红色阴影）以及CNP能隙（Δ_CNP，绿色阴影）。(c) 在V_bg = −35 V时，除了持续存在的CNP能隙（Δ_CNP）外，还出现了多个更高能量的能隙（Δ_HEB1、Δ_HEB2），反映了在大超晶格势场作用下能带重叠增强及复杂度增加。

结论与展望

总之，该研究通过介电衬底的纳米图案化制备了双层石墨烯Kagome超晶格，并展示了由外加超晶格势场控制的栅压可调能带重构。在中等调制强度下，输运测量揭示了源于Kagome诱导平带的堆叠式相关绝缘态的出现，这与连续模型计算结果高度吻合。这些结果确立了双层石墨烯Kagome超晶格作为一个可重复且高度可调的二维强电子-电子关联研究平台。这种人工晶格方法不仅推动了平带物理学的发展，还为在石墨烯基材料中工程化关联态、磁性和拓扑量子相提供了一条多功能且可扩展的路径，弥合了莫尔工程与光刻定义量子架构之间的差距。

文献信息

X. Cai, F. Ren, Q. Li, et al. “Stack of Correlated Insulating States in Bilayer Graphene Kagome Superlattice.” Advanced Materials (2026): e22185.

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202522185