石墨烯以其獨特的線性能量色散關系、高遷移率、高熱導率以及優異的力學性能等而在凝聚態物理及材料科學等領域內倍受關注。眾所周知，石墨烯的性質受襯底的影響很大，常用的氧化硅襯底會引起額外的載流子散射和電聲相互作用而使其質量下降很多。最近的研究發現，六方氮化硼由于其原子級平整的表面、無懸掛鍵、摻雜效應弱等優勢，可以最大限度地保持石墨烯的本征物理性質。更重要的是，石墨烯在六方氮化硼上會形成二維超晶格結構。理論計算表明，這種二維超晶格可以調控石墨烯的能帶結構，形成附加的狄拉克點，進而為探索一系列新的物理現象，如Hofstadter Butterfly能譜，提供了有效手段。

然而，以往把石墨烯放在六方氮化硼表面需要采用物理轉移技術，會帶來加工和結構的不確定性。例如，石墨烯和氮化硼有著1.7%的晶格失配，兩者不同的堆垛會產生不同的超晶格周期。不同的超晶格會對石墨烯能帶調制行為不同，打開能隙的大小也不同。另外，物理轉移技術還會帶來結構的不均一、介面污染等問題。因此，如何控制石墨烯在六方氮化硼上的堆垛方式，從而使二維超晶格周期確定、大尺度均一、高質量無污染，是一個極具挑戰性的課題。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）納米物理與器件實驗室張廣宇研究員、時東霞研究員、博士生楊威等與復旦大學張遠波教授、博士生陳國瑞、以及北京理工大學姚裕貴教授、博士劉鋮鋮等合作開展了六方氮化硼襯底上外延生長石墨烯以及研究相關超晶格電學輸運性質測量方面的工作。他們在前期石墨烯直接生長技術的基礎上（Nano Res.2011, 4, 315; Small 2012, 8,1429; Nano Res.2012, 5, 258），以甲烷為氣源，通過遠程等離子體增強的氣相外延技術，在國際上首次實現了六方氮化硼惰性襯底上石墨烯的可控范德爾瓦斯外延。相關結果發表在Nature Materials（2013, 12, 792）上。

這種外延的石墨烯具有大面積（只受襯底尺寸限制）、單晶、高質量（最高載流子遷移率達到20,000 cm2V-1s-1）、層數可控（1到3層）等優點。利用原子力顯微鏡直接觀察到外延石墨烯和氮化硼襯底具有零轉角的晶格堆垛方式，且由于晶格失配導致三角摩爾圖形出現，由此形成了約15納米周期的二維超晶格結構。這種超晶格結構會對石墨烯的能帶進行改造，在超晶格布里淵區的M點形成新的狄拉克點。電學輸運測量的結果表明，在石墨烯本征狄拉克點兩側會出現由二維超晶格結構導致而出現的附加最小電導峰，分別對應電子和空穴支超晶格狄拉克點。利用量子霍爾測量，觀察到單層石墨烯的狄拉克費米子的半整數的量子霍爾效應以及雙層石墨烯狄拉克點附近的八重簡并。而且，他們還對單層石墨烯徑向電阻和霍爾電阻作了隨載流子濃度和磁場變化的二維譜研究，在超晶格狄拉克點附近觀測到了相應的輸運特性，觀測到簡并度為二的超晶格朗道能級。這些結果為石墨烯的外延生長以及二維超晶格的物理研究提供了新的方法和思路。

該工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院的支持。

圖1：石墨烯在六方氮化硼上的外延生長示意圖以及AFM、拉曼的表征。

圖2：通過AFM表征可以清晰地在各種不同生長階段的樣品觀測到~15nm的石墨烯二維超晶格結構。

圖3：石墨烯/六方氮化硼的電學輸運隨溫度的變化曲線，超晶格狄拉克點的出現以及相應的能帶結構。

圖4：單層和雙層石墨烯的在~1.6K下的量子霍爾輸運曲線。

圖5：單層石墨烯的徑向電阻和霍爾電阻隨門電壓和磁場的扇形圖。