Tunable crystal symmetry in graphene–boron nitride heterostructures with coexisting moiré superlattices

材料科学 超晶格 异质结 石墨烯 氮化硼 凝聚态物理 单层 云纹 带隙 光电子学 纳米技术 光学 物理
作者
Nathan Finney,Matthew Yankowitz,Lithurshanaa Muraleetharan,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Cory R. Dean,James Hone
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:14 (11): 1029-1034 被引量:72
标识
DOI:10.1038/s41565-019-0547-2
摘要

In heterostructures consisting of atomically thin crystals layered on top of one another, lattice mismatch or rotation between the layers results in long-wavelength moir\'e superlattices. These moir\'e patterns can drive significant band structure reconstruction of the composite material, leading to a wide range of emergent phenomena including superconductivity, magnetism, fractional Chern insulating states, and moir\'e excitons. Here, we investigate monolayer graphene encapsulated between two crystals of boron nitride (BN), where the rotational alignment between all three components can be varied. We find that band gaps in the graphene arising from perfect rotational alignment with both BN layers can be modified substantially depending on whether the relative orientation of the two BN layers is 0 or 60 degrees, suggesting a tunable transition between the absence or presence of inversion symmetry in the heterostructure. Small deviations ($<1^{\circ}$) from perfect alignment of all three layers leads to coexisting long-wavelength moir\'e potentials, resulting in a highly reconstructed graphene band structure featuring multiple secondary Dirac points. Our results demonstrate that the interplay between multiple moir\'e patterns can be utilized to controllably modify the electronic properties of the composite heterostructure.
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