作者:Thamarasee Jeewandara，科学X网络，物理
（同organic）有机 SnS2/WSe2卷起和高阶vdW超晶格的结构表征
a–c，WSe2单层(a)、SnS2/WSe2异质双层vdW异质结构(b)和SnS2/WSe2卷起(c)的光学显微镜图像
比例尺，10微米
一个有代表性的二硫化锡/二硫化钨卷的扫描电镜图像
比例尺，200纳米
e、代表性的二硫化锡/二硫化钨卷的横截面STEM图像
比例尺，20纳米
SnS2/WSe2 vdW超晶格的高分辨率截面STEM图像
亮区和暗区分别对应于二硫化钨和二硫化锡单层
比例尺，2纳米
钨和锡的相应能谱图
比例尺，2纳米
钨(蓝色)和锡(红色)的能谱强度分布
钨原子和锡原子层间间距的统计分布
学分:自然，doi: 10
1038/s 14586-021-03338-0
二维(2D)材料和范德瓦尔斯(vdW)异质结构是具有不同原子层的柔性材料，超出了传统的晶格匹配要求
然而，2D范德瓦尔斯结构研究人员迄今为止探索的仅限于相对简单的异质结构与少量的区块
由于其有限的产率和与重新堆叠或合成相关的材料损伤，制备具有无数交替单元的高阶vdW超晶格要困难得多
采用毛细管力驱动的卷绕工艺，赵等
从生长衬底剥离合成硫化锡(SNS 2)/二硒化钨(WSe2)范德瓦尔斯异质结构，以产生具有交替单层材料的卷起，从而产生高阶SnS2/ WSe2 vdW超晶格
超晶格调制了电子能带结构和维数，使得传输特性从半导体转变为金属，并从2D转变为一维(1D)，具有与角度相关的线性磁阻
该团队扩展了这一策略，创造了更加复杂的2D/2D·vdW超晶格，不仅仅是2D超晶格，还包括3D薄膜材料和1D纳米线，以生成混合维vdW超晶格
这项工作指出了产生具有一系列材料组成、尺寸、手性和拓扑结构的高阶vdW超晶格的一般方法，以便为基础研究和技术应用开发丰富的材料平台
研究结果现已发表在《自然》杂志上
创造范德瓦尔斯异质结构
原子般薄的2D层状材料开辟了新的途径，在单个或几个原子层的限制下探索低维物理，创造出具有前所未有的性能或独特功能的功能器件
材料科学家可以混合和匹配不同的2D材料，包括石墨烯、六方氮化硼和过渡金属二硫化物，创造出超越晶格匹配极限的2D vdW异质结构和vdW超晶格
这些材料体系结构引入了一种模式，可以设计出具有结构和电子特性的人造材料，以实现现有材料无法实现的功能
到目前为止，研究人员已经通过一系列方法获得了vdW异质结构和超晶格，这些方法包括化学气相沉积、机械剥离和逐层重新堆叠，以产生不同的异质结构
在这部作品中，赵等人
报道了一种通过卷起2D·vdW异质结构来制造高阶vdW超晶格的简单方法
科学家将化学气相沉积生长的2D/2D·vdW异质结构暴露于乙醇-水-氨水溶液中，使毛细管力驱动自发分层和卷起过程，形成vdW异质结构卷起
这些材料包含高阶vdW超晶格，无需多次转移和重新堆叠过程
该小组随后使用扫描透射电子显微镜和能量色散x光光谱元素绘图研究来确定超晶格的原子组成
开发卷起的vdW异质结构 接下来，科学家们进行了电输运研究，展示了从2D到1D的输运特性的演变，vdW超晶格的电导率和角度相关的磁阻大大增强
他们扩展了卷起策略，使用硫化锡/二硫化钼/二硫化钨材料创建了不同的2D/2D vdW超晶格和复杂的三组分2D/2D/ 2D vdW超晶格
该技术还允许生产2D以外的材料，包括3D或1D材料，以产生一系列多维vdW超晶格
制作工艺 在超晶格的制备过程中，赵等
首先使用改进的化学气相沉积工艺在二氧化硅衬底上生长2D原子晶体
该团队使用由此产生的2D晶体作为vdW外延生长的模板来实现vdW异质结构
然后，他们使用乙醇-水-氨水溶液启动毛细管力驱动的卷起过程
溶液插在硫化锡/二硫化钨vdW异质结构和下面的二氧化硅/硅衬底之间的界面上，使硫化锡/二硒钨结构分层，并在表面张力的帮助下诱导自发卷起过程
这项工作使得2D·vdW异质结构卷包含高阶2D·vdW超晶格成为可能
然后，研究人员使用聚焦离子束铣削来产生卷状物的横截面切片，并使用高分辨率STEM和EDS元素绘图研究来分析它们
SnS2/ WSe2卷起vdW超晶格的电输运和磁输运性质
计算了二硫化锡/二硫化钨vdW超晶格的原子结构和微分电荷密度
苋菜红和蓝色等表面分别代表vdW超晶格和分离层之间的负电荷和正电荷密度差异
等值面值选择为0
0005 e au 3(e，基本电荷；au，原子单位)
SnS2/WSe2异质双层的计算能带结构(EF，费米能级)
计算了二硫化锡/二硫化钨vdW超晶格的能带结构
在Vgs = 0 V时，SnS2/WSe2上滚场效应晶体管和SnS2/WSe2异质双层场效应晶体管的输出特性
在Vds = 1 V时，SnS2/WSe2上滚场效应晶体管和SnS2/WSe2异质双层场效应晶体管的转移特性
在Vds = 1伏和Vgs = 0伏时输出电流的统计分布，突出了SnS2/WSe2卷起场效应晶体管显示出比异质双层高得多的电导
T = 3 K时不同旋转角θ的卷起vdW超晶格的磁电阻(δMR)
插图，卷起的vdW超晶格示意图，以及θ和φ的定义
SnS2/WSe2卷起vdW超晶格在9 T时的角度相关磁阻
一、在温度= 3 K时，SnS2/WSe2卷起的vdW超晶格和SnS2/WSe2异质双层的磁阻的比较，显示出对于卷起的磁场的线性依赖性和对于异质双层的二次依赖性
学分:自然，doi: 10
1038/s 14586-021-03338-0
新材料属性 卷起过程为高阶超晶格开辟了一条直接的途径，并为材料科学家提供了一种定制所得超晶格结构的层间耦合、维度和拓扑的方法
例如，通过将硫化锡/二硒钨双层异质结构转变为高阶超晶格，赵等人
可以改变它的能带结构，从而改变它的电子性质
研究人员通过基于多体微扰理论的第一性原理计算探索了这种效应，并探测了由此产生的vdW超晶格的电子能带结构
结果表明，异质双层显示出ⅱ型能带排列，价带最大值(VBM)来自硒化钨材料，导带最小值来自硫化锡，表观间接带隙为0
33 eV
超晶格的额外结构改变可以将异质双层中的大部分超导特性改变为金属行为
多维卷起vdW超晶格
2D/2D (NbSe2/ MoSe2) vdW超晶格(a)和2D/2D/2D(SNS 2/mose 2/WS2)vdW超晶格(b)的横截面示意图(上)和扫描电镜图像(下)
比例尺，1微米
c–f，2D/2D: 3D/2D (Al2O3/WSe2) vdW超晶格(c)之外的卷起vdW超晶格的横截面示意图(上)和扫描电镜图像(下)；3D/2D/2D (Al2O3/ SnS2/WSe2) vdW超晶格(d)；1D/2D (Ag/WSe2) vdW超晶格(e)；1D/3D/2D (Ag/Al2O3/WSe2) vdW超晶格(f)
比例尺，1微米
SnS2/MoS2/WS2 vdW超晶格的STEM图像
比例尺，2纳米
钨(蓝色)、钼(绿色)和锡(红色)的能谱测绘图
比例尺，2纳米
钨、钼和锡的综合能谱强度分布
钨原子层间间距的统计分布
Al2O3/WSe2 vdW超晶格的截面STEM图像
比例尺，2纳米
左、右(蓝色)能谱测绘图
比例尺，2纳米
钨的综合能谱强度分布
钾中钨原子间超晶格周期性的统计分布
学分:自然，doi: 10
1038/s 14586-021-03338-0
场效应晶体管 为了了解vdW超晶格的电学性质，研究人员接下来开发了场效应晶体管(FETs)，在电学输运研究过程中，使用二氧化硅/硅衬底上的异质双层和卷起的vdW超晶格，用薄金属膜作为源电极和漏电极，硅衬底作为背栅，二氧化硅作为该装置的栅介质
异质双层器件几乎不导电，而卷起的vdW超晶格在1 V偏置电流为100 A时表现出高电导
结果表明，由于带隙显著减小，卷起的vdW超晶格中的电荷输运大大改善
基于迁移特征，赵等
确定了vdW异质双层和卷起超晶格中的载流子迁移率和载流子密度
这项工作表明了能带结构的演变
值得注意的是，该团队展示了从2D到1D的维度是如何滚动变化的
他们利用角度相关的磁阻研究证实了卷起的1D输运性质
高阶超晶格
赵等
接下来扩展了卷起策略，以产生具有不同化学成分和物理性质的2D/ 2D超晶格卷起，作为在不同几何形状和维度下研究铁电性、铁磁性、超导性和压电性的丰富平台
他们还开发了包含单层和双层重复单元的高阶超晶格结构，以形成三种2D材料的高度均匀的超晶格结构
他们扩展了基于原子层沉积的混合维vdW超晶格的方法(ALD)
研究人员还通过卷起具有不同材料组成和手性的异质双层来开发更复杂的超晶格，从而在未来的研究中呈现出令人兴奋的探索方向
SnS2/WSe2卷起场效应管a、SnS2/WSe2异质双层场效应管的原理图和电学特性
b、SnS2/WSe2卷起式场效应晶体管
粉色代表WSe2，黄色代表SnS2，金色代表铬/金接触垫
SnS2/WSe2异质双层场效应晶体管和SnS2/WSe2卷起场效应晶体管的迁移率和载流子浓度的统计分布
不同旋转角θ的卷起vdW超晶格在温度= 3 K时的归一化磁阻
当场被归一化为Bsinθ时，形状和振幅都重叠
学分:自然，doi: 10
1038/s 14586-021-03338-0
前景 通过这种方式，赵蓓和他的同事开发了一种简单通用的方法来形成多维高次vdW超晶格，该超晶格包含不同2D材料的交替层，以及3D和1D材料
这些材料保持了广泛变化的组成和尺寸，以创造超越传统材料系统的高度工程化的人工结构
这项工作为定制层间耦合、手性和拓扑的超晶格结构提供了相当大的自由度
这种材料可以被调谐以产生复杂的超晶格结构，类似于那些通常用于多片晶体管、量子隧道器件、高级发光二极管或量子级联激光器的结构
这个带有1D和3D组件的实验装置提供了独特的几何形状，有助于探索量子物理和实现特定的器件功能
这项工作也为基础研究和技术应用提供了丰富的素材平台
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