摘要：扭曲三层石墨烯（TTG）是一种具有独特结构和电子性质的二维材料，因其在量子计算、电子器件、传感器等领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统的石墨烯或其他二维材料相比，TTG通过调节层间扭转角度，可以实现复杂的moiré-of-moiré晶格结构，展示出诸如拓扑量子

扭曲三层石墨烯（TTG）是一种具有独特结构和电子性质的二维材料，因其在量子计算、电子器件、传感器等领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统的石墨烯或其他二维材料相比，TTG通过调节层间扭转角度，可以实现复杂的moiré-of-moiré晶格结构，展示出诸如拓扑量子态、超导性等新兴电子特性。然而，TTG的结构和性能依赖于扭转角度和层间相互作用，在小角度下表现出显著的晶格重构，导致晶格对称性破缺和向列相不稳定等问题，这为其实际应用带来了挑战。

成果简介

针对这一挑战，韩国科学技术院Young-Woo Son &首尔大学 Hyobin Yoo合作团队在Nature期刊上发表了题为“Unconventional domain tessellations in moiré-of-moiré lattices”的最新论文。

团队通过调控扭转角度，设计并制备了具有原子尺度重构的TTG样品，成功揭示了TTG在小扭角下的晶格重构特性。通过透射电子显微镜（TEM）和新型原子间势能模拟的结合，研究团队展示了多种大尺度moiré晶格结构，包括三角形、Kagome（笼目）以及角共享六芒星形畴图案。每个畴都由二维畴壁晶格网络界定，进一步显示了TTG在小角度下的复杂结构和拓扑网络。

研究表明，在极小的扭转角度下，TTG中存在两种竞争性的堆垛顺序——菱方堆垛和Bernal堆垛，二者之间存在微小的能量差异。这种微小差异导致了非常规的晶格重构，进一步诱发了自发对称性破缺（SSB）和向列相不稳定性。这一发现强调了跨范德华层的长程相互作用在TTG结构和电子性能中的重要性。通过精确调节扭转角度至接近0.1°，研究团队实现了比以往研究更加显著的晶格重构，揭示了TTG作为探索量子效应和可调非平庸晶格性质的潜力。这一工作不仅为TTG材料的设计和应用提供了新的思路，也为未来二维材料的工程化与量子计算应用奠定了基础。

研究亮点

（1）实验首次系统揭示了扭曲三层石墨烯（TTG）（TTG）在原子尺度下的完整结构相图，发现了包括三角形、Kagome晶格及角共享六芒星等多种大尺度moiré晶格结构，并观察到由二维畴壁网络界定的复杂畴镶嵌结构。

（2）实验通过透射电子显微镜（TEM）结合新型原子间势能模拟方法，深入分析了TTG在极小扭角（约0.1°）下的晶格重构行为。结果表明，TTG中存在两种低能堆垛方式——Bernal与菱方堆垛，它们之间的微小能量差异会在小角度扭转下引发强烈的晶格重构，表现出自发对称性破缺（SSB）和向列相不稳定性。

（3）该研究发现，这种moiré-of-moiré晶格结构在TTG中不仅由相邻层间作用决定，而且受控于跨越整个范德华层的远程层间相互作用，打破了以往仅关注局部界面的研究框架。

（4）研究表明，通过调控不同扭角，可实现TTG中畴结构及其拓扑网络的可编程设计，为实现具有非平庸晶格与新奇量子电子态共存的材料系统提供了理想平台，对未来二维材料中的结构—性能调控研究具有重要意义。

图文解读

图1:在三层转角石墨烯TTG中，自发对称性破缺SSB原子重构。

图2:三层转角石墨烯TTG的结构相变。

图3:三层转角石墨烯TTG的结构相图。

图4:类笼目结构畴图案的电子结构。

结论展望

本文的研究为探索多层扭转石墨烯（TTG）中的电子行为和晶格重构提供了新的视角，揭示了不同堆垛几何结构对电子态的影响。通过精细调控扭转角度，研究发现TTG中不同堆垛结构之间存在明显的电荷密度差异，并且在垂直电场的作用下，局部区域的电子态发生了显著变化，尤其是菱方堆垛区域出现能隙，而Bernal堆垛区域则局域了费米能级态。这种局部电子结构的变化不仅展示了TTG中非平庸的拓扑特性，还表明，在不同堆垛区域之间的边界态可能为新的量子态提供了基础。

此外，本文指出，通过调控堆垛顺序及畴结构，TTG有望实现超导态和铁磁态等多种量子态，尤其是在局部域结构的重构下，可能实现磁绝缘体与超导体的相互作用。该研究为我们在多层扭转石墨烯及类似材料中设计与调控新型量子器件提供了重要的理论依据，开辟了探索量子材料与电子关联效应的新途径。

文献信息

Park, D., Park, C., Yananose, K. et al. Unconventional domain tessellations in moiré-of-moiré lattices. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08932-0

来源：MS杨站长