软件应用新闻

   基于HONPAS软件对多原子大体系的线性标度计算模拟能力，中国科学技术大学杨金龙院士、胡伟研究员团队借助紧束缚模型和HONPAS计算模拟工具，提出了关于利用转角摩尔石墨烯双层结构的局域态设计一类可控探针的理论研究，为开发新型扫描探针显微技术提供了新思路。研究人员基于转角电子学调控转角石墨烯双层中的低能电子局域态，利用表面电势的起伏构特征造出了特异性探针，探究了不同转角、不同外加压力对局域态和针尖形状的影响，并理论演示了探针对不同吸附分子的探测。此外，量子转角SPM还可应用于针尖增强拉曼光谱(TERS)领域。该工作以“Proposed Quantum Twisting Scanning Probe Microscope over Twisted Bilayer Graphene”为题，发表在国际一流杂志Nano Letters上（Nano Lett. 2024, 24, 15, 4433–4438.）。

背景介绍

   最简单的转角石墨烯是由两片石墨烯单层堆叠而成的特殊薄膜体系。当上下两层石墨烯的相对转角接近1.1°时，可产生一系列包括非常规超导和关联绝缘态等在内的奇异物理现象，因此被称作“魔角石墨烯”。一般地，转角的存在会导致体系出现摩尔纹，包括一系列AA和AB/BA类型的堆叠区域花纹。早前的局域态密度(LDOS)测量从实验上证明了在AA区域存在电子的局域态。在扫描探针显微镜(SPM)领域，如何获得高性能的探针一直是一个棘手的问题。传统的金属探针由于具有较小的针尖半径，在针尖处具有较大的态密度，但是存在加工难度大、针尖形貌特征难控制等问题。在本工作中，研究人员提出了一条新思路，即利用摩尔局域态的高态密度，配合转角电子学调控，以实现一种可控的量子转角SPM探针(QTSPM)，并做了理论模拟演示。

图1. 基于转角电子学调控转角石墨烯中的低能电子局域态，利用电势起伏构造特异性探针，实现分子选择性吸附和针尖增强拉曼光谱



图2. 平带电子的局域态分布，在空间中产生了局域的强电势分布

   研究人员首先通过紧束缚模型计算确认了在摩尔纹AA区域局域态的出现，并比较魔角和非魔角情况，阐明了动量空间平带与实空间局域现象之间的对应关系。然后，在局域分布的电子上加上碳原子的pz轨道，得到了一种针尖形状的电势面。再者，进行密度泛函理论(DFT)计算。结果显示，由于摩尔超晶格的尺度会随转角减小而增大，因此较大的转角会导致更尖锐的针尖。对于这些较大转角的转角石墨烯，研究人员通过压缩层间距的方法调控了能带，使得大转角处的能带具有扁平特征和实现了低能电子局域化的实空间分布。



图3. 等高度分子吸附能扫描结果

   随后，研究人员研究了这种特殊的非实体针尖在分子探测方面的应用。他们考虑了三种不同转角的转角石墨烯双层体系，并沿着AB、AA到BA的三条路径放置了不同的分子进行等高度的吸附能扫描探测。结果显示，吸附能受到AA区域处局域态影响而变化，呈现出V型或其他形态的曲线，表明了不同分子对于同一个局域态的不同吸附倾向。



图4. 压力和分子吸附对转角石墨烯双层膜的影响

   研究人员还对转角石墨烯双层结构在压力下和分子吸附对局域态的影响进行了研究。在外加压强下，体系是否进行结构优化都不会破坏平带结构。比如，转角为2.88°的体系的平带和电子局域性都表现出很好的鲁棒性。而水分子吸附能测量结果表明，结构优化前后的吸附能曲线一致呈现出相似的上凸形，体现了量子转角SPM的稳定性。通过局域态密度的计算，研究人员指出转角石墨烯探针不但表现出对所吸附分子影响的抗性，而且可用于无损测量。



图5. 量子转角探针可用于针尖增强拉曼光谱技术

   除了可以作为分子探针，量子转角SPM还能够用作针尖增强拉曼光谱(TERS)。通过将分子固定在双层石墨烯的探测区域，探针本身自带的强电场可以类似于TERS方法中金属颗粒产生的强电场，因此可以放大拉曼信号。新方法的优点在于，转角石墨烯双层既作为衬底又作为针尖。此外，石墨烯材料本身具有出色的机械稳定性，十分方便进行各种微纳实验操作。

总结和展望

   研究人员利用转角二维材料双层体系的局域态构造探针，转角石墨烯双层既作为衬底又作为针尖，为扫描探针显微技术提供了一条新思路。研究人员期待，结合转角电子学，人们可以推进更多转角摩尔材料的转角型探针应用研究，以促进新型高性能扫描探针技术的开发。

论文信息

文章题目：Proposed Quantum Twisting Scanning Probe Microscope over Twisted Bilayer Graphene

期刊：Nano Letters

作者：柯逸凡，万凌云，秦新明，胡伟*，杨金龙*

通讯作者：胡伟，杨金龙，中国科学技术大学

发表日期：2024年4月2日（在线）

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00205

研究团队主页链接：https://www.hfnl.ustc.edu.cn/detail?id=11460

HONPAS软件

   HONPAS（Hefei Order-N packages for ab initio simulations，合肥线性标度从头模拟软件包(专利号2019SR1267056)，http://honpas.ustc.edu.cn），为合肥瀚海量子科技有限公司拳头产品之一，是一款在 SIESTA的框架内开发的线性标度电子结构计算软件包，它采用了标准的模守恒赝势、严格局域的数值原子轨道基组以及周期边界条件。其主要功能和特色包括：上千原子杂化泛函计算、自旋非限制密度矩阵纯化计算、最大局域瓦尼尔函数（MLWFs）构造、密度矩阵微扰理论计算和二阶Møller-Plesset微扰理论（MP2）计算等。该软件已成功应用于石墨烯量子点、石墨烯纳米片、极性晶体中极化子效应等大尺度体系性质的快速预测。转角二维材料结构体系具有角度依赖的几何构型和摩尔超胞潜在的超多原子数，HONPAS软件对大尺度体系的高效计算能力正好适用于本研究涉及的小转角超大超胞双层石墨烯体系（其他二维材料体系亦然）。HONPAS软件的最新发布文章参见Int. J. Quantum Chem. 2015, 115, 647– 655,  DOI: 10.1002/qua.24837)。

软件应用新闻

   基于HONPAS软件对多原子大体系的线性标度计算模拟能力，中国科学技术大学杨金龙院士、胡伟研究员团队借助紧束缚模型和HONPAS计算模拟工具，提出了关于利用转角摩尔石墨烯双层结构的局域态设计一类可控探针的理论研究，为开发新型扫描探针显微技术提供了新思路。研究人员基于转角电子学调控转角石墨烯双层中的低能电子局域态，利用表面电势的起伏构特征造出了特异性探针，探究了不同转角、不同外加压力对局域态和针尖形状的影响，并理论演示了探针对不同吸附分子的探测。此外，量子转角SPM还可应用于针尖增强拉曼光谱(TERS)领域。该工作以“Proposed Quantum Twisting Scanning Probe Microscope over Twisted Bilayer Graphene”为题，发表在国际一流杂志Nano Letters上（Nano Lett. 2024, 24, 15, 4433–4438.）。

背景介绍

   最简单的转角石墨烯是由两片石墨烯单层堆叠而成的特殊薄膜体系。当上下两层石墨烯的相对转角接近1.1°时，可产生一系列包括非常规超导和关联绝缘态等在内的奇异物理现象，因此被称作“魔角石墨烯”。一般地，转角的存在会导致体系出现摩尔纹，包括一系列AA和AB/BA类型的堆叠区域花纹。早前的局域态密度(LDOS)测量从实验上证明了在AA区域存在电子的局域态。在扫描探针显微镜(SPM)领域，如何获得高性能的探针一直是一个棘手的问题。传统的金属探针由于具有较小的针尖半径，在针尖处具有较大的态密度，但是存在加工难度大、针尖形貌特征难控制等问题。在本工作中，研究人员提出了一条新思路，即利用摩尔局域态的高态密度，配合转角电子学调控，以实现一种可控的量子转角SPM探针(QTSPM)，并做了理论模拟演示。

图1. 基于转角电子学调控转角石墨烯中的低能电子局域态，利用电势起伏构造特异性探针，实现分子选择性吸附和针尖增强拉曼光谱



图2. 平带电子的局域态分布，在空间中产生了局域的强电势分布

   研究人员首先通过紧束缚模型计算确认了在摩尔纹AA区域局域态的出现，并比较魔角和非魔角情况，阐明了动量空间平带与实空间局域现象之间的对应关系。然后，在局域分布的电子上加上碳原子的pz轨道，得到了一种针尖形状的电势面。再者，进行密度泛函理论(DFT)计算。结果显示，由于摩尔超晶格的尺度会随转角减小而增大，因此较大的转角会导致更尖锐的针尖。对于这些较大转角的转角石墨烯，研究人员通过压缩层间距的方法调控了能带，使得大转角处的能带具有扁平特征和实现了低能电子局域化的实空间分布。



图3. 等高度分子吸附能扫描结果

   随后，研究人员研究了这种特殊的非实体针尖在分子探测方面的应用。他们考虑了三种不同转角的转角石墨烯双层体系，并沿着AB、AA到BA的三条路径放置了不同的分子进行等高度的吸附能扫描探测。结果显示，吸附能受到AA区域处局域态影响而变化，呈现出V型或其他形态的曲线，表明了不同分子对于同一个局域态的不同吸附倾向。



图4. 压力和分子吸附对转角石墨烯双层膜的影响

   研究人员还对转角石墨烯双层结构在压力下和分子吸附对局域态的影响进行了研究。在外加压强下，体系是否进行结构优化都不会破坏平带结构。比如，转角为2.88°的体系的平带和电子局域性都表现出很好的鲁棒性。而水分子吸附能测量结果表明，结构优化前后的吸附能曲线一致呈现出相似的上凸形，体现了量子转角SPM的稳定性。通过局域态密度的计算，研究人员指出转角石墨烯探针不但表现出对所吸附分子影响的抗性，而且可用于无损测量。



图5. 量子转角探针可用于针尖增强拉曼光谱技术

   除了可以作为分子探针，量子转角SPM还能够用作针尖增强拉曼光谱(TERS)。通过将分子固定在双层石墨烯的探测区域，探针本身自带的强电场可以类似于TERS方法中金属颗粒产生的强电场，因此可以放大拉曼信号。新方法的优点在于，转角石墨烯双层既作为衬底又作为针尖。此外，石墨烯材料本身具有出色的机械稳定性，十分方便进行各种微纳实验操作。

总结和展望

   研究人员利用转角二维材料双层体系的局域态构造探针，转角石墨烯双层既作为衬底又作为针尖，为扫描探针显微技术提供了一条新思路。研究人员期待，结合转角电子学，人们可以推进更多转角摩尔材料的转角型探针应用研究，以促进新型高性能扫描探针技术的开发。

论文信息

文章题目：Proposed Quantum Twisting Scanning Probe Microscope over Twisted Bilayer Graphene

期刊：Nano Letters

作者：柯逸凡，万凌云，秦新明，胡伟*，杨金龙*

通讯作者：胡伟，杨金龙，中国科学技术大学

发表日期：2024年4月2日（在线）

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00205

研究团队主页链接：https://www.hfnl.ustc.edu.cn/detail?id=11460

HONPAS软件

   HONPAS（Hefei Order-N packages for ab initio simulations，合肥线性标度从头模拟软件包(专利号2019SR1267056)，http://honpas.ustc.edu.cn），为合肥瀚海量子科技有限公司拳头产品之一，是一款在 SIESTA的框架内开发的线性标度电子结构计算软件包，它采用了标准的模守恒赝势、严格局域的数值原子轨道基组以及周期边界条件。其主要功能和特色包括：上千原子杂化泛函计算、自旋非限制密度矩阵纯化计算、最大局域瓦尼尔函数（MLWFs）构造、密度矩阵微扰理论计算和二阶Møller-Plesset微扰理论（MP2）计算等。该软件已成功应用于石墨烯量子点、石墨烯纳米片、极性晶体中极化子效应等大尺度体系性质的快速预测。转角二维材料结构体系具有角度依赖的几何构型和摩尔超胞潜在的超多原子数，HONPAS软件对大尺度体系的高效计算能力正好适用于本研究涉及的小转角超大超胞双层石墨烯体系（其他二维材料体系亦然）。HONPAS软件的最新发布文章参见Int. J. Quantum Chem. 2015, 115, 647– 655,  DOI: 10.1002/qua.24837)。