石墨烯-hBN莫尔超晶格。（a）两个蜂窝状晶体的空间叠加而产生的莫尔图样；（b）一个典型的小能带结构。

 

六方氮化硼(hBN)是一种宽带隙的绝缘体材料，最近由于其可以作为石墨烯基板从而获得了广泛的关注。hBN没有不饱和键，非常平整，具有比二氧化硅少很多的电荷陷阱。因此和沉积在二氧化硅上相比，石墨烯沉积在hBN上具有更高的移动性。

不仅如此，由于hBN可以改变其载流子的电子图谱，hBN在石墨烯物理中也是活性层。事实上，当石墨烯沉积在hBN上时，它会显示出莫尔图样，这是由来自两个蜂窝状晶体的空间叠加而产生的，这两个晶体有相同的晶格常数，但是具有任意相对角。这样的莫尔图样会为石墨烯载流子创造一个周期势阱，从而产生一个经过修饰的隧穿密度态。这样的莫尔图样可以通过Hofstadter蝴蝶频谱进行观察。莫尔图样同样也具有等离子特性，通过调整相对结晶取向等可以控制其可调谐性。当石墨烯和hBN之间的扭曲角很小的时候，这种莫尔超晶格的周期可以达到14纳米，且其能带结构具有非常有趣的特点，例如低能量时会出现卫星狄拉克点。

石墨烯和hBN的结合有助于开发低损耗和可调谐特性的红外和太赫兹等离子体激元。石墨烯片中种的中红外波段等离子体具有超大规模场约束力、小的群速度和长寿命。通过使用散射型扫描近场光学显微镜，研究人员可以应用纳米红外图像。通过照射原子力显微镜的金属尖端，前进中的等离子体会被边沿或者缺陷反射回来。到达金属尖端的等离子体会再一次转换成光。在移动针尖的过程总通过光探测器来探测光可以获得石墨烯-hBN异质结中等离子体的空间图像。研究人员发现莫尔图样石墨烯中的等离子体具有更强的阻尼效果，可以在界面处反射回来。

这些研究结果并不能通过一些常规方法来解释，而这些常规方法对于贵金属和平面石墨烯等离子体来说非常适用。这些方法依赖于麦克斯韦方程组和欧姆定律（J(r, ω) = σ(ω) E(r, ω)，其中J(r, ω)是在位置r处，且频率为ω时的电流；E(r, ω)是电场；σ(ω)是电导率。）的结合。当光子能量低于2个费米能级时，电导率可以通过Drude公式描述。Drude公式描述了带间电子——空穴对产生时光的吸收。

然而，在长波长的石墨烯莫尔超晶格中具有一些不同寻常的现象：hBN产生的势能作用在石墨烯的载流子上，会对莫尔图样的周期性产生扰动。这会使得平面石墨烯的能量——动量色散关系变得非常复杂。当入射光子能量小于两个费米能级时，撞击在石墨烯莫尔超晶格上的光子具有足够的动能，从而可以激发小能带带间电子——空穴对，使得电子会激发到小能带结构的导带中。这些过程可以在没有外部干扰的条件下进行，可以使得莫尔超晶格中的红外光吸收的增加，从而导致等离子体的更大的阻尼。Basov及其同事通过红外散射近场光学光谱直接测量了等离子体，观察到阻尼率增加了五倍。这种技术有助于石墨烯莫尔超晶格中二维电子系统复杂电导率的直接测量。

Basov及其同事的研究工作在近期也会遇到有趣的挑战。通过将工作区间拓展到太赫兹区间，使得从实验上测量掺杂石墨烯的另一个太赫兹等离子体成为可能。不仅如此，hBN晶体上的石墨烯片具有一种不寻常的拓扑能带结构和贝瑞曲率热点，这也是大型非局部传递信号的原因，而找出这种系统的光学和等离子光谱特性是非常有趣的。

 新材料在线编译整理——翻译：杨超     校正：摩天轮