正文
图2 石墨烯原子结构及其线性狄拉克锥状能带结构
如同需要选择两种性能互补的水稻品种进行杂交一样，我们要选择的二维材料既要保持石墨烯本身良好的电学性质，又能够改变石墨烯特定的“基因序列”使其打开能隙。石墨烯的近亲——氮化硼是一个很好的选择。氮化硼由于其良好的透光性，也被称为“白色石墨烯”。它和石墨烯结构相似，原子都呈蜂巢状排列，晶格常数与石墨烯相差1.8 %。不同的是，氮化硼是一个极佳的绝缘体，具有高达约6 eV的能隙，这能够保证氮化硼作为衬底时，不会影响其上的器件性能。最神奇的是，当石墨烯置于氮化硼上方的时候，由于氮化硼的影响，石墨烯在狄拉克点附近的“基因”有望发生“突变”，打开能隙。简单来说，固体材料的很多性质是由其特定的晶格排列和对称性决定的。石墨烯中的狄拉克锥就是由其空间反演对称性保护的，如果破坏了这种对称性，狄拉克锥处就能打开能隙。如图3 所示，石墨烯本身是空间反演对称的，而氮化硼由于B 原子和N原子分别位于原点两边的对称位置，因此是空间反演不对称的。当石墨烯置于氮化硼上方的时候，其空间反演对称性就被神奇地破坏掉了。
图3 具有空间反演对称性的石墨烯、空间反演不对称的氮化硼和石墨烯/氮化硼异质结
其实氮化硼上的石墨烯“ 突变”的“基因”不止于此。由于石墨烯和氮化硼的晶格常数差1.8%，它们堆垛在一起会形成新的超周期性，这类似于我们熟悉的将两种不同格子放在一起形成的摩尔条纹。这种超周期类似于石墨烯的晶格周期，也会产生能带结构，其直接结果就是在石墨烯狄拉克锥的周围形成了复制的次级狄拉克锥。它们就像狄拉克锥的缩小版一样。在磁场下，原始的狄拉克锥和次级狄拉克锥表现出类似的行为(朗道能级，图4 左)。这种自相似现象可以类比于分形几何学中有趣的图形。一个典型的例子是雪花，当把它分割之后再进行放大，它的局部与整体仍然具有相似性[5]。
图4 石墨烯/氮化硼中观测到的自相似行为(引自文献[6])和自然界中雪花呈现的自相似分形行为(http://www.chachaba.com/news/zhuanti/christmas/tupian/20101221_18789.html)
石墨烯/氮化硼异质结的自相似能谱的根源，来源于能带结构的变化[7]。固体材料中的能带指的是电子的能量和动量的关系E(k)，能带结构在固体物理中的地位就好比基因在生物学中的地位一样，固体的很多性质都可以追溯到它的能带结构。如同生物学家希望对发生基因突变的生物进行基因测序，以了解它们突变的基源，材料学家希望研究新材料的“基因”——能带结构来理解其中的物理。针对石墨烯/氮化硼异质结，理论家们已经建立了一个很好的通用模型来计算这个异质结体系中的能带结构，但是要描述这样的体系，需要引进若干个参数。这些参数无法从理论上直接确定，而且选取不同的参数可以得到迥异的结果，因此实验测量结果就显得更加迫切。那么实验上如何测量突变的“基因”(能带结构)呢？最初，材料学家利用材料的导电性质来了解其能带结构。形象的说，电子就好比河流中的水，材料的导电性好比水流的大小，电子越多材料的导电性越好。当费米能远离狄拉克点时，石墨烯中的电子密度较高，电导率较高(电阻较低)；而当费米能刚好位于狄拉克点时，电子密度较低，电阻较高。因此，实验中我们通过调控电压来改变石墨烯的电子密度，就会发现电阻出现了两个峰值，而这个额外的峰的出现可以断定出现了次级狄拉克锥。但这还远远不够，因为虽然我们看到了来自次级狄拉克锥的信号，却如同管中窥豹，很多我们关注的关键物理问题，还是没有得到解决。例如，石墨烯/氮化硼异质结中到底有没有能隙？次级狄拉克锥到底在动量空间的哪些区域？
在这方面， 角分辨光电子谱(ARPES)具有明显的优势。利用光电效应把材料中的电子激发出来，通过测量光电子的能量和动量，我们可以直接探测到材料的能带。这样，无论是能隙还是次级狄拉克锥，都将一目了然。这么重要的一个问题为什么没有更早得到解决呢？这里的挑战性有几个方面。首先，通过人工转移机械剥离的样品得到的石墨烯/氮化硼异质结的尺寸通常小于实验测量的光斑，因此信号较弱而且不容易找到样品，给实验测量带来了很大的挑战。更为重要的是，因为狄拉克锥和次级狄拉克锥的距离非常接近，要想在实验上把它们区分开来，需要有极好的数据，这也相应要求质量很高的样品和处理得极其干净的表面。能不能把样品处理干净，是决定能不能测量到能带结构的关键瓶颈。这两个方面的挑战使得异质结的能带结构的研究，注定是一块不容易啃的“硬骨头”。
