祝贺，湖南大学发表一篇《Nature》！

2021-03-20 14:37:25

二维（2D）材料和相关的范德华（vdW）异质结构提供了极大的灵活性，可以逐层集成超出传统的晶格匹配要求限制的不同原子层层机械重堆或顺序合成。然而，到目前为止，探索的二维vdW异质结构通常仅限于具有少量的相对简单的异质结构。

2021年3月17日，湖南大学段曦东和加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋共同通讯（湖南大学为第一单位）在Nature 在线发表题为“High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures”的研究论文，该研究报告了一种通过汇总vdW异质结构来实现高阶vdW超晶格的简单方法。

研究表明，毛细作用力驱动的卷起过程可用于从生长基质中剥离合成SnS2 / WSe2 vdW异质结构，并产生具有交替的WSe2和SnS2单层的SnS2 / WSe2卷曲，从而形成高阶SnS2 / WSe2 vdW超晶格。这些超晶格的形成调节了电子能带结构和尺寸，从而导致传输特性从半导体到金属，从二维到一维（1D）以及与角度相关的线性磁阻转变。可以扩展此策略以创建各种2D / 2D vdW超晶格，更复杂的2D / 2D / 2D vdW超晶格以及其他2D材料（包括三维（3D）薄膜材料和1D纳米线）以生成混合尺寸vdW超晶格，例如3D / 2D，3D / 2D / 2D，1D / 2D和1D / 3D / 2D vdW超晶格。这项研究证明了生产具有广泛变化的材料成分，尺寸，手性和拓扑结构的高阶vdW超晶格的通用方法，并为基础研究和技术应用定义了丰富的材料平台。

原子薄的2D层状材料的出现为在单个或几个原子层的极限下探索低维物理，以及创建具有空前性能或独特功能的功能性设备提供了新的途径。除了隔离的2D原子层之外，不同2D材料（例如石墨烯，六方氮化硼和过渡金属二卤化碳）的混合和匹配还为创建2D vdW异质结构和vdW超晶格提供了极大的灵活性，超出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，并具有超出现有材料的功能。

到目前为止，二维vdW异质结构和vdW超晶格主要是通过机械剥落和艰苦的逐层重堆积过程获得的。通常将这种方法用于从各种层状晶体中创建各种异质结构，但通常具有有限的产量和可重复性，并且对于高阶超晶格而言，其挑战性呈指数增长。另外，也已经探索了化学气相沉积（CVD）方法来直接合成2D vdW异质结构，但这些方法通常也仅限于只有两个或几个不同嵌段的低阶结构。

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的严重结构退化。尽管通过精心的合成设计可以部分成功地缓解二维横向超晶格的生长，可以部分缓解这一挑战，但使用类似策略的高阶二维vdW超晶格的增长却更具挑战性，目前尚未实现。此外，近来已报道了一种电化学分子插入方法可用于创建高阶超晶格，但它仅限于所选的分子系统。尽管付出了巨大的努力并且成功地构建了多种vdW异质结构，但高阶稳定vdW超晶格的制造仍然是一个挑战。

对于该研究，报告了一种通过汇总2D vdW异质结构来创建高阶vdW超晶格的简单方法。通过将CVD生长的2D / 2D vdW异质结构（例如SnS2 / WSe2）暴露于乙醇-水-氨溶液中，显示出毛细作用力可以驱动自发分层和卷积过程，从而产生vdW异质结构卷积包含高阶2D / 2D vdW超晶格，而无需经过多次传输和重新堆叠过程。

扫描透射电子显微镜（STEM）和能量色散X射线光谱学（EDS）元素映射研究表明，所得vdW超晶格中具有原子清晰界面的原子组成的高度周期性调制。电输运研究表明，在vdW超晶格中，电导率从2D到1D都有很大的提高，并且电导率随角度的变化呈线性变化。

此外，该汇总策略可以扩展为创建各种2D / 2D vdW超晶格和复杂的三分量2D / 2D / 2D vdW超晶格（SnS2 / MoS2 / WS2），以及超越2D的材料，包括3D或1D材料，可生成各种多维vdW超晶格，例如3D / 2D（Al2O3 / WSe2），3D / 2D / 2D（Al2O3 / SnS2 / WSe2），1D / 2D（Ag纳米线/ WSe2）和1D / 3D / 2D（Ag纳米线/ Al2O3 / WSe2）vdW超晶格。这项研究证明了生产具有广泛变化的材料成分，尺寸，手性和拓扑结构的高阶vdW超晶格的通用方法，并为基础研究和技术应用定义了丰富的材料平台。

来源 | iNature、参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03338-0