石墨烯是凝聚态物理中的明星材料。其堆垛方式决定了物理性质。在石墨烯中，常见的Bernal（AB）堆垛是热力学稳定相，而菱形（Rhombohedral, ABC）堆垛则是一种亚稳态结构。ABC堆垛具有中心对称结构，其能隙可通过位移电场进行调节，这是AB堆垛所不具备的特性。此外ABC堆垛展现出莫特绝缘态、超导性和铁磁性等一系列独特的关联物理效应，为研究强相互作用电子系统提供了理想平台。因此ABC堆垛近年来在凝聚态物理研究中备受关注。然而，ABC堆垛单原子形成能比AB堆垛高0.2 meV，且生长后降温、热扰动会引发层间滑移，使其不可逆转为AB堆垛。因此，如何在宏观尺度上合成相纯度极高的菱形石墨烯（ABC堆垛），是该领域的核心难题。
二、【创新成果】
基于此，北京大学刘开辉教授、卢晓波助理教授、张志斌副研究员联合上海科技大学柳仲楷副教授和深圳理工大学丁峰教授在Science上发表了题为“Step geometry- guided growth of rhombohedral graphene”的论文，报道了一种台阶几何引导的外延生长策略，通过对滑移角（φ）和取向角（θ）的精确控制，实现了对层间滑移的确定性操控，从而能够合成纯相ABC堆垛。利用这种方法，研究人员获得了纯相（相纯度>99%）菱形石墨烯，其面积达到160 μm×80 μm，厚度范围从约15层到约120 nm。所得样品建立了首个全面的参考数据集，涵盖了从少层薄膜到约200层层状体的拉曼指纹和本征能带结构。电子输运测量揭示了层间反铁磁态和量子反常霍尔效应，从而能够大规模探索下一代量子科学技术应用。
三、【图文解析】
图1 菱形石墨烯的台阶几何引导生长机制 ©2026 AAAS
图2 基于滑移角φ和取向角θ的菱形石墨烯相调控 ©2026 AAAS
图3 菱形石墨烯的结构表征及其热机械弛豫 ©2026 AAAS
图4 菱形石墨烯的光谱学表征及电学性质 ©2026 AAAS
四、【科学启迪】
综上，研究人员首次报道了一种台阶几何引导的外延生长策略，通过精确控制滑移角φ和取向角θ，克服了ABC堆垛热力学亚稳与动力学不稳定的双重障碍，把亚稳相菱形石墨烯从“偶然剥离产物”变为可规模化、纯度可控的人工单晶材料，并开发热机械弛豫工艺消除ABC-CBA畴界，成功实现了相纯度 > 99%、面积达160 μm × 80 μm的菱形石墨烯（ABC堆垛）的可控生长。所得样品建立了其拉曼光谱与能带结构的层数分辨参考数据库，并在传输测量中观测到层间反铁磁绝缘态和量子反常霍尔效应。本研究为探索菱形石墨烯的强关联与拓扑量子现象提供了理想材料平台，也为其他量子材料的堆垛工程提供了思路。
原文详情：Step geometry-guided growth of rhombohedral graphene (Science 2026, 393, 422-427)
本文由大兵哥供稿。
