摘要：莫尔材料展现了一系列引人入胜的电学、光学和拓扑特性，包括Mott绝缘体、Wigner晶体、陈数及分数陈数绝缘体、超导性以及向列相等。这些特性使其成为研究强关联量子材料的理想平台。莫尔结构通常通过堆叠两层具有扭转角的相同二维材料，或结合两种具有晶格失配的不同二维
【研究背景】
莫尔材料展现了一系列引人入胜的电学、光学和拓扑特性，包括Mott绝缘体、Wigner晶体、陈数及分数陈数绝缘体、超导性以及向列相等。这些特性使其成为研究强关联量子材料的理想平台。莫尔结构通常通过堆叠两层具有扭转角的相同二维材料，或结合两种具有晶格失配的不同二维材料形成，这些已在石墨烯、六方氮化硼、金属二硫属化物、过渡金属硒化物和碲化物等材料中实现。在这些堆叠结构中，层间相互作用主要由范德华（vdW）力主导，与涉及原子间电子共享或转移的化学键相比，这种相互作用相对较弱。这种弱相互作用导致不同层原子之间的间距较大，且莫尔势较弱。增强层间相互作用的尝试包括施加静水压力，这使扭转双层石墨烯的超导转变向更高扭转角和更高温度方向移动。
尽管以范德华（vdW）相互作用为主的莫尔材料已被广泛研究，但在大空间尺度上实现具有周期性调制共价键的莫尔超晶格仍然具有挑战性，这主要是由在可控方式下周期性修饰共价键的内在困难导致的。受近期氟化二烷烃（diamane）研究的启发，氟化可诱导石墨烯层间化学键的形成，为探索通过氟化扭转双层石墨烯（TBG）构建石墨烯二维共价莫尔超晶格提供了可能性。
【成果介绍】
鉴于此，松山湖材料实验室的冼乐德研究员团队发表了题为“2D Covalent Moiré Superlattice from Fluorinating Twisted Bilayer Graphene”的论文在Advanced Functional Materials期刊上。该工作通过第一性原理计算，证明氟化促进了扭转双层石墨烯中相邻石墨烯层碳原子间化学键的形成。氟化过程从AB/BA堆叠区域开始，最终扩展到整个表面。在氟化扭转双层石墨烯（F-TBG）中，维持莫尔结构的相互作用变为共价键而非范德华力。与vdW莫尔材料相比，这种新型莫尔化学化合物在其电子结构中表现出显著更强的莫尔调制，导致能谱中出现大量平带。本文的研究结果表明，二维共价莫尔材料可能为探索强关联现象、莫尔激子和莫尔化学提供了一个新平台。
【图文导读】
图 1. a, b) 氟化双层石墨烯在AB堆叠（a）和AA堆叠（b）中的原子结构；c) 扭转双层石墨烯的原子结构，展示了不同的局部堆叠区域；d) 不同堆叠几何下氟化双层石墨烯的氟化形成能；e) 氟化AB堆叠双层石墨烯的能带结构；f) 氟化AA堆叠双层石墨烯的能带结构。
图 2. 氟化双层扭转石墨烯的结构演化。a) 在扭转角度为5.09°、7.34°和9.43°时，随着氟覆盖率增加，F-TBG中每个氟原子的形成能。b) 对应于图（a）中标记为I-VI的7.34° F-TBG的弛豫原子结构。
图 3. a) 7.34°扭转双层石墨烯（TBG）的能带结构。b) 在原胞中7.34°TBG的展开能带结构（以彩色显示），与单层石墨烯的能带结构（以黑线显示）叠加。c) 7.34° F-TBG的能带结构。d) 7.34° F-TBG的展开能带结构（以彩色显示），与AB堆叠的氟化双层石墨烯的能带结构（以黑线显示）叠加。
图 4. 不同扭转角度下氟化双层扭转石墨烯的能带结构演化。a-c) 在5.09°、7.34°和9.43°扭转角度下F-TBG的能带结构。 d) 随着扭转角度减小，价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）处平带带宽的演化。e) 7.34° F-TBG中五组平带的电荷密度分布。
【总结展望】
总之，本工作提出了一类新型莫尔材料，称为莫尔共价超晶格，它可以通过对莫尔范德华材料进行功能化来合成。通过密度泛函理论（DFT）计算研究了用氟对扭转双层石墨烯（TBG）进行功能化的可行性。研究结果表明，TBG中石墨烯层之间的弱范德华相互作用在氟化后转变为强共价键。由于氟化TBG中层间耦合强度与层内耦合强度相当，莫尔超晶格效应显著改变了系统中所有价电子态的性质，导致即使在相对较大的扭转角度下也会在整个能量范围内形成平带。在能带边缘和带隙内出现的超平带使这些新型莫尔材料成为探索强关联物理以及在量子传感、单光子发射和量子计算等潜在应用的优秀平台。在氟化双层扭转石墨烯中，层间C-C化学键的形成源于碳原子被F原子氧化。其关键机制是碳系统中的sp2到sp3相变。氢或羟基也可用于诱导这种转变。此外，类似的由功能化或应变或压力引起的sp2到sp3相变可能发生在多层石墨烯和其他二维材料中，如六方氮化硼和黑磷烯。因此，通过功能化莫尔范德华材料来构建莫尔共价超晶格的方案也可以应用于扭转多层石墨烯和其他扭转二维材料，为莫尔共价化学的研究开辟了新途径。
【文献信息】
D. Ji, Q. Xu, L. Xian, 2D Covalent Moiré Superlattice from Fluorinating Twisted Bilayer Graphene. Adv. Funct. Mater. 2025, 2419321.
来源：低维 昂维
来源：石墨烯联盟
