范德华异构结构最新Nature：通过卷起合成高阶超晶格

木文韬 3年前 (2021-03-18) 4610浏览

【引言】

原子薄的2D层状材料的出现，为探索单原子层或几个原子层前所未有的性能或独特功能的功能器件开辟了新的途径。在孤立的2D原子层之外，不同的2D材料，如石墨烯、六方氮化硼和过渡金属二硫化物的混合和匹配，使得创造2D vdW异质结构和vdW超晶格的灵活性大大超过了晶格匹配要求的限制。这些异质结构和超晶格为工程人造材料引入了一种范式，具有可设计的结构和电子特性，并实现了现有材料无法实现的功能。到目前为止，2D vdW异质结构和vdW超晶格大多是通过机械剥落和逐层重堆积得到的。这种方法通常用于从各种层状晶体中制备不同的异质结构，但通常具有有限的产量和重现性。另外，化学气相沉积（CVD）方法也被用于直接合成2D vdW异质结，但这些方法通常也局限于只有两个或几个不同块的低阶结构。使用连续的vdW外延生长来产生高阶vdW超晶格，需要在不同的化学和热环境之间反复切换，这通常会导致原子薄晶体严重的结构退化。虽然通过精心的合成设计可以部分缓解这一挑战，使2D横向超晶格成功生长，但采用类似策略生长高阶2D vdW超晶格更具挑战性，目前尚未实现。此外，最近还报道了一种形成高阶超晶格的电化学分子插层方法，但它只限于选定的分子体系。尽管付出了大量的努力并成功地构建了多种vdW异质结构，但制造高阶稳定的vdW超晶格仍然是一个挑战。

【成果简介】

今日，在美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授和湖南大学段曦东教授（共同通讯作者）团队等人带领下，报告了一种通过卷起vdW异质结构来实现高阶vdW超晶格的直接方法。研究表明，可以利用毛细管力驱动的卷起过程将合成的SnS₂/WSe₂vdW异质结构从生长基底上分层，并产生具有交替WSe₂和SnS₂单层的SnS₂/WSe₂卷成，从而形成高阶SnS₂/WSe₂vdW超晶格。这些超晶格的形成可以调控电子带结构和维度，从而实现传输特性从半导体到金属、从2D到1D的转变，并具有角度相关的线性磁阻。这一策略可以扩展到创建不同的2D/2D vdW超晶格、更复杂的2D/2D/2D vdW超晶格以及其他2D材料，包括3D薄膜材料和1D纳米线，生成混合维度的vdW超晶格，如3D/2D、3D/2D/2D、1D/2D和1D/3D/2D vdW超晶格。该研究展示了一种生成高阶vdW超晶格的通用方法，其具有广泛的材料组成、尺寸、手性和拓扑结构，为基础研究和技术应用定义了丰富的材料平台。相关成果以题为“High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures”发表在了Nature。