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利用转移堆垛的技术将二维材料沿着垂直平面方向制备成各种异质结构。层间较弱的范德华力可以任意垂直堆叠而无晶格失配。因此，就像玩乐高一样，人们可以根据特定的需求选择合适的材料构筑出自然界中不存在的材料体系。把不同的维材料通过弱范德华作用力堆叠在一起就形成了的范德瓦尔斯异质结构。

而二维材料家族拥有众多性质迥异的成员，这为各类新功能、新原理和新结构的原子/纳米尺度异质结器件的研究提供了一个巨大的宝库。在未来的集成电路、光电探测器、传感器中具有功能性的范德瓦尔斯异质结必将扮演重要的作用，实现万物互联的时代。

进入2020年，范德瓦尔斯异质结的研究不断出新，目前在Science、 Nautre及子刊中多有报道，一起关注下吧。

1、Science：一维范德瓦尔斯异质结构

异质结构是一类材料，其中不同原子层同轴地堆叠。日本东京大学Rong Xiang 教授联合印度、中国、美国等多名学者介绍了一维（1D）范德华异质结构的实验合成，证明了单壁碳纳米管（SWCNTs）上六方氮化硼（BN）和二硫化钼（MoS₂）晶体的单晶层的生长。 对于后者，更容易合成克服应变效应的大直径纳米管。他们还报告了一个5nm直径的异质结构，该结构由内部SWCNT，中间的三层BN纳米管和外部的MoS₂纳米管组成，类似于类似“俄罗斯套娃”的一维范德华异质结构，电子衍射证实异质结构中的所有壳都是单晶。 这项工作表明，当前2D库中的所有材料都可以卷入其1D对应物中，并且可以实现大量功能可设计的1D异质结构。相关研究以“One-dimensional van der Waals heterostructures”为题发表在Science上。

文献链接：

DOI: 10.1126/science.aaz2570

图1 SWCNT- MoS₂1D异质结构的结构表征

2、Nature：二维范德瓦尔斯异质结构阵列的合成方法

二维范德华异质结构(vdWHs)引起了广泛的关注。然而，迄今为止报道的大多数vdWHs都是通过微机械剥离制作而成的，尽管这一过程可用于概念验证演示和基础研究，但显然无法用于实际技术。湖南大学的段曦东教授联合加州大学洛杉矶分校段的镶峰教授等人报告了一种过渡金属硫化物(m-TMDs)和半导体过渡金属硫化物TMDs (s-TMDs)之间的二维vdWH阵列的通用合成策略。通过对单层或双层s-TMDs上的成核位点的选择图案化，可以在预先指定的空间位置，通过可设计的周期排列和可调的横向尺寸，精确地控制不同m-TMDs的成核和生长，生成一系列vdWH阵列。系统扫描透射电镜研究揭示了具有广泛可调莫尔超晶格接近理想的vdW界面。进一步证明了合成策略可制备具有优异性能和高产量的晶体管器件，为高性能设备提供了一个可扩展的途径。相关研究以“General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-020-2098-y

图2 VSe₂/WSe₂范德瓦尔斯异质阵列的表征

3、Nature：莫尔超晶格中的可调相关Chern绝缘子和铁磁性

在强磁场中对二维电子系统的研究揭示了量子霍尔效应，它是一种物质的拓扑状态，具有有限的陈数（Chern number）和手性边缘态。Haldane随后提出理论，即使在零磁场情况下，具有整数量子霍尔效应的Chern绝缘子也可能出现在具有复杂跳变参数的晶格模型中。范德瓦尔斯异质结构中的莫尔超晶格已成为工程量子现象的有力工具，ABC-三层石墨烯/六方氮化硼(ABC-TLG/hBN)莫尔超晶格为探索Chern绝缘体提供了一个有吸引力的平台，因为它具有近乎平坦的莫尔微带，其Chern数与谷值相关，随电可调。在此，复旦大学的张远波教授，加州大学伯克利分校的王丰教授及斯坦福大学David Goldhaber-Gordon教授等人报告了在ABC-TLG/hBN莫尔超晶格中相关的Chern绝缘子的实验观察。结果表明，通过改变垂直电场的方向，ABC-TLG/hBN在0和非0 陈数之间的莫尔微带会发生改变，这与磁输运行为的变化有关。在零磁场下表现出明显的磁滞现象和反常霍尔信号。该研究在零磁场下发现C=2的Chern绝缘子为为发现相关的拓扑态提供机会。相关研究以“Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-020-2049-7

图3 ABC-TLG/hBN莫尔超晶格和可调谐的莫尔带

4、Nature：WSe₂/WS₂超晶格中的相关物理现象

莫尔超晶格可用于设计二维范德华异质结构中强相关电子态，最近的研究表明，在磁角双分子层石墨烯和ABC-三层石墨烯/氮化硼云纹超晶格中发现了相关的绝缘和超导状态。TMD异质结构由于其强的光-物质相互作用和大的自旋轨道耦合，为相关量子现象的研究提供了另一种模型体系。然而，该系统中相关绝缘态的实验观测与传统的技术相比存在一定的挑战。加州大学伯克利分校Feng Wang团队报道了半导体异质结WSe₂/WS₂莫尔超晶格中强相关相位的光学检测。研究使用一种灵敏的光学检测技术，在每个超晶格的一个孔处发现了莫特绝缘体状态，在超晶格的1/3和2/3处发现了令人惊讶的绝缘体相，这归因于底层晶格上的广义Wigner结晶。莫特绝缘状态下,观测到微秒的长自旋弛豫寿命，比电荷激励的寿命长几个数量级。研究发现在石墨烯之外使用莫尔超晶格探索相关物理性质的价值。相关研究以“Mott and generalized Wigner crystal statesin WSe₂/WS₂moiré superlattices”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-020-2092-4

图4 WSe₂/WS₂超晶格的光学检测

5、Nature：WSe₂/WS₂莫尔超晶格中哈伯德模型的物理模拟

哈伯德模型(Hubbard model)是物理学家约翰·哈伯德(John Hubbard)在1960年1月提出的，是一个简单的量子粒子在晶格中相互作用的理论模型。该模型被认为可以捕捉高温超导体、磁性绝缘体和其他复杂的量子多体基态的基本物理性质。康奈尔大学Kin Fai Mak教授、Jie Shan教授等人通过对WSe₂/WS₂双分子层的研究，得到了二维三角晶格哈伯德模型的相图。WSe₂/WS₂双分子层是由于两种材料的晶格常数不同而形成莫尔超晶格的。通过测量系统的光响应对离面磁场和栅调载流子密度的依赖关系来探测系统的电荷和磁性能。在第一空穴云纹超晶格带的半跃迁过程中，观察到一种反铁磁的莫特绝缘状态。实验表明，在近0.6倍频移的情况下，从反铁磁态到弱铁磁态的量子相变是可能的。该结果建立了一个新的基于莫尔超晶格的固态平台，哈伯德模型可以用来模拟三角晶格的强相关物理问题。相关研究以“Simulation of Hubbard model physics in WSe₂/WS₂moiré superlattices”为题目，发表在Nature上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41586-020-2085-3

图5 WSe₂/WS₂双层结构的II型带对准

6、Nat. Nanotechnol.：波导集成的高速、高响应的范德瓦尔斯异质结构光探测器

基于二维过渡金属硫化物(TMDCs)的新型光电器件由于其强的光-物相互作用和独特的材料特性而得到了广泛的研究和开发。特别是，具有高速和高响应性能的光电探测器具有很大的应用前景，例如在标准化电信波长操作的高速率互连。然而，TMDCs固有的较小的载流子迁移率成为高速应用的瓶颈。在这里，苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny教授、Juerg Leuthold 教授、Ping Ma教授等人在硅光子平台上集成了高性能垂直范德瓦尔斯异质结构的光电探测器。垂直MoTe₂-石墨烯异质结构设计最小化了TMDCs中的载流子传输路径，并在中等偏压下（-3V）实现了高达24 GHz的带宽纪录值。使用更高的偏压或更薄的MoTe₂片，带宽可提高到50GHz。同时，得益于集成波导设计，设备在1300nm入射光下达到了高的外部响应率0.2 AW^-1。研究阐明了性能权衡，并提出了快速高效设备的设计准则。双模异质结构和集成波导纳米光子学的结合，为实现高性能光电器件，如光电探测器、发光器件、电光调制器等提供了一个有吸引力的平台。相关研究以“Waveguide-integrated van der Waals heterostructure photodetector at telecom wavelengths with high speed and highresponsivity”为题目，发表在Nat. Nanotechnol.上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41565-019-0602-z

图6 立式MoTe₂-石墨烯异质结构光电探测器

7、Nat. Nanotechnol.：范德瓦尔斯异质结构的层分辨磁邻近效应

磁邻近效应对于操纵异质结构中的自旋子、超导、激子和拓扑现象是不可或缺的。这些效应对界面电子性质非常敏感，如电子波函数重叠和能带对准。磁性二维材料的出现为探索范德瓦尔斯异质结构中的邻近效应开辟了新的可能性，特别是，原子厚度的CrI₃表现出层状的反铁磁性，其中相邻的铁磁单分子层是反铁磁耦合的。在此，华盛顿大学Xiaodong Xu教授等人报告了由单分子层WSe₂和双/三分子层CrI₃形成的异质结构的层分辨磁性邻近效应。利用磁场控制CrI₃中单个层的磁化强度，发现WSe₂和CrI₃之间的自旋相关电荷转移受界面CrI₃层控制，而邻近交换场对整个层状磁结构高度敏感。结合反射磁性圆二色性测量，单层WSe₂可作为一种空间敏感的磁传感器，用于绘制零磁场下的层状反铁磁畴结构以及有限磁场下的反铁磁/铁磁畴。该工作揭示了一种通过范德华工程控制接近效应和探测界面磁序的方法相关研究以“Layer-resolved magnetic proximity effect in van der Waals heterostructures”为题目，发表在Nat. Nanotechnol.上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41565-019-0629-1

图7 单分子层WSe₂/双分子层CrI₃异质结构中的邻近效应

8、Nature Electronics：由范德瓦尔斯异质结构制成的反隧穿场效应晶体管

依赖于量子隧穿的半导体器件可用于逻辑、存储器和射频应用。具有负微分电阻的隧道设备通常遵循这样的工作原理，即隧道电流直接贡献于驱动电流。在这里，华中滚球体育 大学吴燕庆教授团队等人报告了一个隧穿场效应晶体管由黑磷/Al₂O₃/黑磷范德瓦尔斯异质结构集成，其中隧穿电流相对于驱动电流是横向。通过静电效应，这种隧穿电流可以引起输出电流的剧烈变化，从而在室温下产生可调的负微分电阻，其峰谷比超过100。器件也表现出突变，其体因子(栅电压相对于表面电位的相对变化)是传统晶体管在宽温度范围内的玻尔兹曼极限的十分之一。相关研究以“A transverse tunnelling field-effect transistor made from a van der Waals heterostructure”为题目，发表在Nature Electron.上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41928-019-0364-5

图8 器件结构与表征

9、NatureMaterials：范德瓦尔斯异质结构中可调谐的室温自旋电流效应和自旋霍尔效应

自旋轨道耦合是实现电荷和自旋电流相互转换和通过自旋转矩现象控制磁性材料磁化的有力工具。然而，尽管现有体材料的多样性和最近出现的界面和低维效应，控制这种相互转换在室温仍然难以捉摸。在此，西班牙加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所L. Antonio Benítez教授、Williams Savero Torres教授、联合西班牙Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA)的 Sergio O. Valenzuela教授等人证明了在石墨烯中，由于石墨烯、WS₂的邻近性，其室温自旋电荷间的相互转换得到增强。通过在适当设计的霍尔棒中进行旋进实验，研究分离了自旋的霍尔和自旋电流效应。值得注意的是，它们相应的转换效率可以通过静电门调节大小和符号，在电荷中性点附近达到峰值，其等效大小可与迄今为止报道的最大效率相媲美。这种电场可调性为无磁性材料的自旋生成和超紧凑磁记忆技术提供了基础。相关研究以“Tunable room-temperature spin galvanic and spin Hall effects in van der Waals heterostructures”为题目，发表在Nature Materials上。

文献链接：

DOI: 10.1038/s41563-019-0575-1

图9 邻近TMDC和方案测量石墨烯中的SCI转换

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