Global Control of Stacking-Order Phase Transition by Doping and Electric Field in Few-Layer Graphene

堆积 石墨烯 凝聚态物理 材料科学 范德瓦尔斯力 兴奋剂 电场 相变 带隙 异质结 超晶格 纳米技术 光电子学 化学 物理 核磁共振 有机化学 量子力学 分子
作者
Hongyuan Li,M. Iqbal Bakti Utama,Sheng Wang,Wenyu Zhao,Sihan Zhao,Xiao Xiao,Yue Jiang,Lili Jiang,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,Alexander Weber‐Bargioni,Alex Zettl,Feng Wang
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:20 (5): 3106-3112 被引量:60
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.9b05092
摘要

The layer stacking order has profound effects on the physical properties of two-dimensional van der Waals heterostructures. For example, graphene multilayers can have distinct electronic band structures and exhibit completely different behaviors depending on the stacking order. Fascinating physical phenomena, such as correlated insulators, superconductors, and ferromagnetism, can also emerge with a periodic variation of the layer stacking order, which is known as the moiré superlattice in van der Waals materials. In this work, we realize the global phase transition between different graphene layer stacking orders and elucidate its microscopic origin. We experimentally determine the energy difference between different stacking orders with the accuracy of μeV/atom. We reveal that both the carrier doping and the electric field can drive the layer-stacking phase transition through different mechanisms: carrier doping can change the energy difference because of a non-negligible work function difference between different stacking orders; the electric field, on the other hand, induces a band-gap opening in ABC-stacked graphene and hence changes the energy difference. Our findings provide a fundamental understanding of the electrically driven stacking-order phase transition in few-layer graphene and demonstrate a reversible and noninvasive method to globally control the stacking order.
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