在国家自然科学基金项目（批准号: 92577201）等资助下，北京大学刘开辉团队与合作者提出台阶几何引导外延生长策略，通过精准调控石墨烯层间滑移，实现了大面积、高纯度菱方（ABC）堆垛石墨烯的可控制备。相关研究成果以“台阶几何引导的菱方石墨烯生长（Step-geometry guided growth of rhombohedral graphene）”为题，于2026年7月23日发表于《科学》（Science）杂志，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed9202。

　　层间堆垛是调控多层二维材料性质的有效自由度。相比常见的伯纳尔（AB）堆垛，菱方（ABC）堆垛石墨烯具有费米能级附近的平带和非零贝里曲率，是研究超导、陈绝缘态和量子反常霍尔效应的重要平台。然而，菱方石墨烯热力学上处于亚稳态，且易在生长和转移过程中因层间滑移转变为AB堆垛。长期以来，其制备主要依赖机械剥离，存在样品面积小、相纯度低、筛选效率低和重复性差等问题。

　　针对这一难题，研究团队构建了由台阶氧化铝和单晶铜镍合金组成的界面几何限域生长体系。碳原子经铜镍合金晶格传质并在界面析出，新生长的石墨烯层受氧化铝台阶约束产生可控层间滑移。研究表明，滑移角φ决定几何约束强度，取向角θ决定限域方向与石墨烯滑移方向的匹配程度。当φ小于80°、θ小于10°时，台阶几何可协同引导各层弯折和滑移，从而稳定形成菱方堆垛。基于该机制，团队建立了菱方/伯纳尔堆垛的几何调控相图，为堆垛序列的可设计生长提供了明确准则（图）。

　　基于高质量样品，研究团队建立了从少层薄膜到约200层菱方石墨烯的拉曼光谱和本征能带结构参考数据集，并通过纳米角分辨光电子能谱直接观测到费米能级附近的平带结构。量子输运测量进一步观测到层间反铁磁绝缘态和量子反常霍尔效应，验证了材料的高质量与均匀性。该工作突破了菱方石墨烯制备中的热力学和动力学限制，实现了从偶然剥离向可控生长的转变，并为构筑其他非伯纳尔堆垛石墨烯结构提供了新思路，有望推动平带量子材料、强关联电子体系和拓扑量子器件的发展。

　　同时，在同一国家自然科学基金项目资助下，研究团队进一步在菱方石墨烯材料体系中开展拓扑量子态研究，在由伯纳尔双层石墨烯与菱方四层石墨烯构成的扭转莫尔体系中，观测到陈数从|C| = 1到7的系列量子反常霍尔绝缘态，并发现陈数为C = 7/3的分数陈绝缘态，拓展了对高陈数平带中分数化拓扑态的认识。相关成果以“扭转菱方石墨烯中的分数高陈绝缘体（Fractional high-Chern insulator in twisted rhombohedral graphene）”为题，于2026年7月15日发表于《自然》（Nature）杂志。

图 台阶几何引导菱方石墨烯生长机制及其结构表征