hBN封装双层石墨烯的电子与自旋轨道性质

研究了由伯纳尔双层石墨烯（BLG）与六方氮化硼（hBN）组成的范德瓦耳斯（vdW）异质结构。通过第一性原理计算，我们捕获了多种堆叠与封装情形下BLG能带结构的关键特征。采用包含轨道与自旋轨道耦合（SOC）项的低能模型哈密顿量，重现了hBN修饰的BLG色散、自旋分裂与自旋期望值。最重要的是，hBN层在BLG谱中打开了轨道能隙，其范围可从零到数十meV，取决于各原子的精确堆叠排列。因此，在实验相关的moir\'{e}结构中可能出现大的局域带隙变化。此外，SOC参数很小（几到数十$\mu$eV），正如本征BLG中一样，但被hBN层显著地邻近修饰。尤其当BLG由hBN单层封装、从而恢复反演对称性时，能带的轨道能隙与自旋分裂消失。另外，我们表明横向电场主要修饰石墨烯层间的电势差，其与高达约1~V/nm场强下的轨道能隙完美相关。而且，层分辨的Rashba耦合可通过$\sim 5~\mu$eV每V/nm调节。最后，通过研究扭转角为6$^{\circ}$--20$^{\circ}$的扭转BLG/hBN结构，我们发现全局带隙随扭转角线性增加。外推的$0^{\circ}$带隙约为23~meV，并大致由堆叠依赖的局域带隙平均值得出。我们的研究为hBN/BLG异质结构的邻近自旋物理提供了新见解，应有助于解释扩展及受限（量子点）体系的实验。