一年发表13篇Nature/Science，看二维材料范德华异质结如何大放异彩！

乐高积木也许是每个孩子童年时最着迷，也是最能发挥想象力和创造力的益智玩具。虽然利用的是最简单的素材和最简单的结合方式，但是从这些简单的积木块出发，发挥创造力，却可以搭建出各种令人惊叹不已的作品。对物理和材料学家来说，自然界中的二维材料就是极好的乐高积木块；把不同的二维材料通过弱范德华作用力（存在于中性分子或原子之间的弱相互作用）堆叠在一起形成的“范德华异质结”，就是他们眼中最有趣的乐高作品，也是带给他们无穷研究乐趣的“新大陆”。本文将以今年发表的13篇Nature/Science为例，介绍新型范德华异质结这个二维材料研究领域的热门方向。

1、Nature:多维度材料的范德华整合策略

材料集成策略通常涉及强化学键（例如外延生长），并且通常限于具有高度结构匹配和工艺兼容性的材料。通过弱的范德华相互作用，预制构建单元物理地组装在一起，可以实现无化学键的集成，这可以摆脱晶格和加工工艺的限制（例如二维范德华异质结构）。近日，加州大学洛杉矶分校段镶锋和黄昱回顾了这种新兴方法的发展，挑战和机遇，将其概括为多维度（超出两个维度）的多种材料系统的灵活整合，并讨论其超出现有材料范围的人造异质结构或超晶格的潜力。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1013-x

2、Nature: 范德华异质结中莫尔激子的证据

德克萨斯大学奥斯汀分校Li Xiaoqing/阿贡国家实验室Wu Fengcheng报告了在具有小扭转角的二硒化钼/二硒化钨（MoSe2/WSe2）异双层中的正或负圆极化发射的多个层间激子共振的观察。研究人员将这些共振归因于激子基态和受限于莫尔势的激发态。这种解释得到了重组动力学以及这些层间激子共振对扭转角和温度的依赖性的支持。这些结果表明使用范德瓦尔斯异质结构设计人工激子晶体用于纳米光子学和量子信息应用的可行性。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-0975-z

3、Nature: 二硒化钼（MoSe2）/二硒化钨（WSe2）异质层中捕获莫尔势的层间谷激子

华盛顿大学Xu Xiaodong/香港大学Wang Yao研究报告了在二硒化钼（MoSe2）/二硒化钨（WSe2）异质层中捕获莫尔势的层间谷激子的实验证据。在扭曲的MoSe2/WSe2双层二维异质结中，研究人员成功捕获莫尔势的层间谷激子。在低温下，研究人员观察到光致发光能量接近层间自由激子能量，但线宽窄一百倍以上（约100 meV）。对于给定的扭转角，发射器表现出相同螺旋性的强圆极化，这表明俘获势保持三重旋转对称性。结合对功率和激发能量的特征依赖性，研究人员认为观察到的效应来源于层间激子被捕获在光滑的莫尔势中。这些结果表明观察到的效应的起源是层间激子被捕获在光滑的莫尔势中，具有继承的谷对比物理学。这项工作提供了通过改变扭转角来控制二维莫尔光学的机会。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-0957-1#auth-8

4、Nature: 在WSe2/WS2异质结中发现了莫尔激子

莫尔超晶格在二维异质结中可以产生新的量子现象，其中原子薄层之间的相互作用会改变超晶格的电子能带结构。例如，在不同类型的石墨烯/氮化硼莫尔超晶格中会出现微小的狄拉克点、可调谐的莫特绝缘体态和霍夫施塔特蝴蝶模式，然而相关的绝缘性和超导性在扭曲的双层石墨烯莫尔超晶格中已被报道。除了对单颗粒有明显影响之外，莫尔超晶格已经被预测为主体激发态，比如莫尔激子能带。在这里，美国加州大学伯克利分校Feng Wang团队在WSe2/WS2异质结构中发现了莫尔超晶格激子态。这些莫尔激子态在吸收光谱中表现为多个峰，在起始的WSe2 A激子共振周围，并且它们表现出与WSe2单层和具有大扭转角的WSe2/WS2异质结构中的A激子不同的栅极依赖性。这些现象可以用一个理论模型来描述，其中周期性莫尔电势比激子动力能强得多，且产生了多个平面激子微型能带。莫尔激子带提供了一个有吸引力的平台，可以从中探索和控制物质的激发态，例如在过渡金属二硫化物中的拓扑激子和相关的激子哈伯德模型。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-0976-y

5、Nature: 范德华异质结莫尔超晶格中的共振杂化激子

原子层厚度的二维材料在较弱的范德华力作用下能通过垂直堆积进行组装，从而实现不共格、可任意相互旋转的两种晶体之间的耦合。也正因此，该类结构中的原子位点产生了一种重要的周期性——莫尔超晶格。在石墨烯/六方BN异质结中，莫尔超晶格的存在使得研究人员观测到了电子微带，而在扭转的石墨烯双层结构中，其效应因层间共振条件而加强，导致了魔角位置的超导体-绝缘体转变。英国谢菲尔德大学Alexander I. Tartakovskii团队和曼彻斯特大学Vladimir I. Fal′ko团队合作，利用非共格的单层WSe2/WS2半导体异质结，证明了激子带可杂化，进而导致莫尔超晶格效应的共振加强。作者选择WSe2/WS2体系是因为其导带边缘的近简并性可以促进层内和层间激子的杂化。研究中，杂化通过显著的激子能移是层间转角的周期性函数这一现象显示出来，而激子能移的周期性是因为：杂化激子是由MoSe2中空穴产生的，且MoSe2与相邻单层中扭转依赖的电子态叠加存在相互作用。对于单层结构近乎共格的异质结，电子态的共振混合使得异质结的几何莫尔条纹对杂化激子的色散谱和光谱具有明显影响。在基于范德华异质结的半导体器件领域内，该研究丰富了能带工程的策略。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-0986-9

6、Nature: 三维金属与二维半导体之间的范德华相互作用

随着场效应晶体管中半导体通道尺寸的减小，源极和漏极处金属-半导体界面的接触电阻增大，影响了器件的性能。二维(2D)过渡金属二硫化物，如二硫化钼(MoS2)，已经被证明是超薄场效应晶体管的优良半导体。然而，在金属与二维过渡金属二硫化物的界面上发现了异常高的接触电阻。近年来的研究表明，石墨烯与过渡金属二硫化物以及金属与过渡金属二硫化物间形成的范德华相互作用获得了良好的接触性能。然而，三维金属与单层二维过渡金属二硫化物之间的范德华相互作用尚未得到证实。有鉴于此，Manish Chhowalla等人深入研究了金纳米电极包覆的10nm厚的铟金属与单分子层MoS2之间的范德华相互作用。扫描透射电子显微镜成像证明了金属铟和二硫化钼间的范德华相互作用。单层MoS2的铟/金电极的接触电阻为3000±300欧姆，多层MoS2为800±200欧姆。这些数值是在三维金属电极与二硫化钼界面上观察到的最低值之一，使高性能场效应晶体管的迁移率高达到167±20平方厘米每伏特每秒。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1052-3

7、Nature: 手性扭曲范德华纳米线

内布拉斯加大学Peter Sutter和 Eli Sutter团队展示了一类材料-层状晶体的范德华纳米线，其中可调谐的层间扭曲在合成过程中自然演变。在气-液-固生长中，GeS纳米线（各向异性层状半导体）沿着线轴分层结晶，并且具有形成轴向螺旋位错的明显倾向。纳米分辨电子衍射显示，由于轴向位错的应力场，由圆柱形固体端部上的扭矩引起Eshelby扭曲，进而在范德华纳米线中引起手性结构。研究表明，面内GeS晶体轴沿着线逐渐旋转，并且螺旋的相邻GeS层由于层间扭曲而自然地形成了莫尔图案。通过改变纳米线厚度可以调节轴向旋转和扭曲。该研究证明了界层间莫尔图案沿着纳米线上的螺旋路径而不是平面界面实现，使得具有确定扭转角的范德华结构的可扩展制造迈出重要的一步。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1147-x

8、Nature: 螺旋扭曲的范德华结构

扭曲的范德华结构的常用制备策略为转移-堆叠过程，该方法的一个缺陷在于不能用于具有相对较强的层间作用力的材料。因此，科学家开始探索自下而上的简便方法来制备更多扭曲的范德华结构。有鉴于此，美国加州大学伯克利分校Jie Yao研究团队基于Eshelby扭曲，得到了一种螺旋扭曲的范德华结构。研究表明，与螺旋位错（手性拓扑缺陷）相关的Eshelby扭曲，可以在从纳米尺度到介观尺度上驱动范德华结构的形成，而且可以通过控制结构的径向尺寸来定制扭曲拓扑。在合成过程中，研究团队首先将轴向螺旋位错引入沿堆叠方向生长的GeS纳米线中，产生具有连续扭曲的范德华纳米结构，其中总扭曲率由纳米线的半径限定。因为总扭曲率由基板固定，附着于基板的那些扭曲纳米线进一步径向生长，就会导致弹性能量的增加。 通过在一系列离散跳跃中调控固定的扭曲率，可以减少存储的弹性能量，从而产生介观尺度的扭曲结构，这种扭曲结构由螺旋组装的纳米板构成。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1308-y

9、Nature: 三层石墨烯/hBN范德华异质结的超导性能调控

三层石墨烯（ABC-TLG）/hBN异质结为三角形Hubbard模型的系统研究提供了理想的平台：理论计算表明，该异质结系统的三角形超晶格中表现出一个近乎平整的独立的微带，通过垂直电场的变化，可以调整微带的带宽。相比之下，魔角扭曲双层石墨烯的则表现出两个平坦的微带，并且总在单粒子带结构中相交。有鉴于此，加州大学伯克利分校Feng Wang、复旦大学Yuanbo Zhang、斯坦福大学David Goldhaber-Gordon等团队报道了在1/4填充Mott状态，三层石墨烯（ABC-TLG）/hBN异质结中超导结构的调控变化特征。1）在相对于1/4填充莫特态进行电子和空穴掺杂时，研究人员观察到两个明显的超导圆顶。2）作者还发现，通过控制垂直电场，ABC-TLG / hBN异质结构中的超导、绝缘和金属态之间很容易发生转变。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1393-y

10、Nature: 二维材料范德华异质结中静电门控效应的可视化表征研究
在场效应晶体管中，对电子状态（譬如局部电势变化、费米能级、能带结构等）的直接观测可以加深我们对物理的深入理解，从而有助于我们对设备的功能进行持续改进。有鉴于此，华盛顿大学Xiaodong Xu、David H. Cobden和华威大学Neil R. Wilson等团队报道了一种微尺度的角分辨光电子能谱，可实现对二维范德华异质结器件中的电子状态进行监测研究。值得一提的是，检测可以在单个器件上进行，从而对栅极控制的电子和光学特性之间的关系可以进行深入和精确的研究。作者发现，在双端石墨烯器件中施加栅极电压时，费米能级会发生移动，跨越狄拉克点，且色散几乎不发生变化。在二维半导体器件中，导带边缘则不断地进行着电子积累，边缘的能量和动量不断聚集。在单层WSe2中，随着静电掺杂的增加，带隙降到几百个meV，接近激子能量。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1402-1

11、Nature: 原子核中具有扩展空间相干性的层间激子激光器

二维半导体由于其强大的激子-光子相互作用以及工程和集成的灵活性而成为一种新型的纳米光子材料。利用这些特性，密歇根大学的Hui Deng等设计了一种高效的基于Dipoar层间激子的激光介质，该介质具有旋转排列的原子薄异质结构。从过渡金属二卤化氢异质双层集成在氮化硅栅谐振器中测量激射。整个发射阈值观察到发射的空间相干性急剧增加。这项工作建立了二维异质结构中的层间激子作为与硅相容的相干介质。这些层间激子具有电可调的光物质相互作用强度和远距离偶极相互作用，因此有望应用于低功率，超快激光和调制器以及丰富的多体量子现象。
文献链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1779-x

12、Science: 二维异质结延长激子寿命

激子（固体中的电子和空穴的结合对）原则上可以用作信息载体。但是，由于电子和空穴倾向于快速复合，因此它们的寿命受到限制。延长寿命的一种方法是物理隔离电子和空穴，譬如通过使它们位于范德华异质结构的不同层中。有鉴于此，哈佛大学Philip Kim团队使用这种策略在由单层二硒化钼（MoSe2）和单层二硒化钨（WSe2）构成的范德华异质结构中形成长寿命的层间激子。通过对异质结构中各层的电控制，研究人员进一步提高了激子寿命，并形成并操纵了带电激子。
文献链接：
https://science.sciencemag.org/content/366/6467/870

13、Science: 范德华堆叠依赖的层间磁性

通过对二维磁性材料的广泛研究，科学家已经发现了许多相关的范德华材料，例如三碘化铬（CrI3）和三溴化铬（CrBr3）。尽管它们理论上具有相似的性质，但在双层形式中，前者是反铁磁性的，而后者似乎是铁磁体。二维层状磁性材料之间的磁耦合特性，可能为新型磁性器件的研制带来新思路。考虑到二维层状磁性材料之间具有较弱的原子层间范德华力，这使得人为构造层间范德华堆叠堆叠成为可能。有鉴于此，复旦大学高春雷课题组和吴施伟课题组合作，研究了双层CrBr3的磁性状态如何取决于单层堆叠的类型。研究团队使用自主开发的自旋极化扫描隧道显微镜等手段发现，当两个单分子层以相同方向取向时形成反铁磁状态，而相反的取向则导致铁磁性。
文献链接：
https://science.sciencemag.org/content/366/6468/983

本文由eric供稿。

消息来源——微信公众：材料人