原子級(jí)厚度的2D層狀材料的出現(xiàn)為在單個(gè)或幾個(gè)原子層的極限下探索低維物理，以及創(chuàng)建具有空前性能或獨(dú)特功能的功能器件開(kāi)辟了新途徑。除了孤立的2D原子層之外，不同的2D材料（例如石墨烯，六方氮化硼和過(guò)渡金屬二硫化物）的混合和匹配在超出晶格匹配要求的限制下，為創(chuàng)建2D范德華異質(zhì)結(jié)和范德華超晶格提供了極大的靈活性。這些異質(zhì)結(jié)和超晶格具有可設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和電子特性，并能夠?qū)崿F(xiàn)超出現(xiàn)有材料范圍的功能，為工程人造材料提供了一種范例。然而，截至目前，2D范德華異質(zhì)結(jié)和范德華超晶格主要是通過(guò)機(jī)械剝離和艱苦的逐層重堆積過(guò)程獲得的。通常這種方法應(yīng)用于從各種層狀晶體中創(chuàng)建各種異質(zhì)結(jié)，但通常具有有限的產(chǎn)量和可重復(fù)性，并且對(duì)于高階超晶格而言，其挑戰(zhàn)性呈指數(shù)增長(zhǎng)。化學(xué)氣相沉積（CVD）方法可直接合成2D范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，但也限在僅具有兩個(gè)或幾個(gè)不同嵌段的低階結(jié)構(gòu)。使用連續(xù)的范德華外延生長(zhǎng)來(lái)產(chǎn)生高階范德華超晶格需要在不同的化學(xué)和熱環(huán)境之間反復(fù)切換，這通常導(dǎo)致原子薄晶體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重退化。雖然這種挑戰(zhàn)可能通過(guò)精心合成設(shè)計(jì)部分緩解2D側(cè)超晶格的增長(zhǎng)，但使用類似的策略生長(zhǎng)高階2D范德華超晶格是更具挑戰(zhàn)性，而且至今尚未實(shí)現(xiàn)。盡管人們付出了巨大的努力并且成功地構(gòu)建了多種范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，但高階穩(wěn)定范德華超晶格的制造仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。有鑒于此，湖南大學(xué)段曦東和加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒等人報(bào)道了一種通過(guò)卷繞范德華異質(zhì)結(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)高階德華超晶格的簡(jiǎn)單方法。研究結(jié)果表明，毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)的卷繞過(guò)程可用于從生長(zhǎng)基底上剝離合成SnS2/WSe2范德華異質(zhì)結(jié)，并產(chǎn)生WSe2和SnS2單層交替的SnS2/WSe2卷，從而形成高階SnS2/ WSe2范德華超晶格。這些超晶格的形成調(diào)節(jié)了電子能帶結(jié)構(gòu)和維度，從而實(shí)現(xiàn)了從半導(dǎo)體到金屬傳輸特性的轉(zhuǎn)變，從二維到一維以及與角度相關(guān)線性磁阻的轉(zhuǎn)變。該方法可擴(kuò)展并創(chuàng)建各種2D/2D范德華超晶格，更復(fù)雜的2D/2D/2D范德華超晶格以及其他2D材料，包括3D薄膜材料和1D納米線，以生成混合維度范德華超晶格，例如3D/2D，3D/2D/2D，1D/2D和1D/3D/2D范德華超晶格。這項(xiàng)研究證明了制造廣泛變化的材料成分、維度、手性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高階范德華超晶格的通用方法，并為基礎(chǔ)研究和技術(shù)應(yīng)用提供了豐富的材料平臺(tái)。相關(guān)結(jié)果以“High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures”為題發(fā)表在Nature期刊上。
圖1 卷繞范德華異質(zhì)結(jié)的制備過(guò)程示意圖
圖2 SnS2/WSe2卷和高階超晶格的結(jié)構(gòu)表征
圖3 SnS2/WSe2卷繞范德華超晶格的電和磁傳輸性質(zhì)
圖4 多維卷繞的范德華超晶格Zhao, B., Wan, Z., Liu, Y. et al. High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures. Nature 591, 385–390 (2021).?https://doi.org/10.1038/s41586-021-03338-0
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