一年發表13篇Nature/Science，看二維材料范德華異質結如何大放異彩！

樂高積木也許是每個孩子童年時最著迷，也是最能發揮想象力和創造力的益智玩具。雖然利用的是最簡單的素材和最簡單的結合方式，但是從這些簡單的積木塊出發，發揮創造力，卻可以搭建出各種令人驚嘆不已的作品。對物理和材料學家來說，自然界中的二維材料就是極好的樂高積木塊；把不同的二維材料通過弱范德華作用力（存在于中性分子或原子之間的弱相互作用）堆疊在一起形成的“范德華異質結”，就是他們眼中最有趣的樂高作品，也是帶給他們無窮研究樂趣的“新大陸”。本文將以今年發表的13篇Nature/Science為例，介紹新型范德華異質結這個二維材料研究領域的熱門方向。

1、Nature:多維度材料的范德華整合策略

材料集成策略通常涉及強化學鍵（例如外延生長），并且通常限于具有高度結構匹配和工藝兼容性的材料。通過弱的范德華相互作用，預制構建單元物理地組裝在一起，可以實現無化學鍵的集成，這可以擺脫晶格和加工工藝的限制（例如二維范德華異質結構）。近日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒和黃昱回顧了這種新興方法的發展，挑戰和機遇，將其概括為多維度（超出兩個維度）的多種材料系統的靈活整合，并討論其超出現有材料范圍的人造異質結構或超晶格的潛力。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1013-x

2、Nature:?范德華異質結中莫爾激子的證據

德克薩斯大學奧斯汀分校Li Xiaoqing/阿貢國家實驗室Wu Fengcheng報告了在具有小扭轉角的二硒化鉬/二硒化鎢（MoSe₂/WSe₂）異雙層中的正或負圓極化發射的多個層間激子共振的觀察。研究人員將這些共振歸因于激子基態和受限于莫爾勢的激發態。這種解釋得到了重組動力學以及這些層間激子共振對扭轉角和溫度的依賴性的支持。這些結果表明使用范德瓦爾斯異質結構設計人工激子晶體用于納米光子學和量子信息應用的可行性。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-0975-z

3、Nature:?二硒化鉬（MoSe₂）/二硒化鎢（WSe₂）異質層中捕獲莫爾勢的層間谷激子

華盛頓大學Xu Xiaodong/香港大學Wang Yao研究報告了在二硒化鉬（MoSe₂）/二硒化鎢（WSe₂）異質層中捕獲莫爾勢的層間谷激子的實驗證據。在扭曲的MoSe₂/WSe₂雙層二維異質結中，研究人員成功捕獲莫爾勢的層間谷激子。在低溫下，研究人員觀察到光致發光能量接近層間自由激子能量，但線寬窄一百倍以上（約100 meV）。對于給定的扭轉角，發射器表現出相同螺旋性的強圓極化，這表明俘獲勢保持三重旋轉對稱性。結合對功率和激發能量的特征依賴性，研究人員認為觀察到的效應來源于層間激子被捕獲在光滑的莫爾勢中。這些結果表明觀察到的效應的起源是層間激子被捕獲在光滑的莫爾勢中，具有繼承的谷對比物理學。這項工作提供了通過改變扭轉角來控制二維莫爾光學的機會。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-0957-1#auth-8

4、Nature:?在WSe₂/WS₂異質結中發現了莫爾激子

莫爾超晶格在二維異質結中可以產生新的量子現象，其中原子薄層之間的相互作用會改變超晶格的電子能帶結構。例如，在不同類型的石墨烯/氮化硼莫爾超晶格中會出現微小的狄拉克點、可調諧的莫特絕緣體態和霍夫施塔特蝴蝶模式，然而相關的絕緣性和超導性在扭曲的雙層石墨烯莫爾超晶格中已被報道。除了對單顆粒有明顯影響之外，莫爾超晶格已經被預測為主體激發態，比如莫爾激子能帶。在這里，美國加州大學伯克利分校Feng Wang團隊在WSe₂/WS₂異質結構中發現了莫爾超晶格激子態。這些莫爾激子態在吸收光譜中表現為多個峰，在起始的WSe₂?A激子共振周圍，并且它們表現出與WSe₂單層和具有大扭轉角的WSe₂/WS₂異質結構中的A激子不同的柵極依賴性。這些現象可以用一個理論模型來描述，其中周期性莫爾電勢比激子動力能強得多，且產生了多個平面激子微型能帶。莫爾激子帶提供了一個有吸引力的平臺，可以從中探索和控制物質的激發態，例如在過渡金屬二硫化物中的拓撲激子和相關的激子哈伯德模型。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-0976-y

5、Nature:?范德華異質結莫爾超晶格中的共振雜化激子

原子層厚度的二維材料在較弱的范德華力作用下能通過垂直堆積進行組裝，從而實現不共格、可任意相互旋轉的兩種晶體之間的耦合。也正因此，該類結構中的原子位點產生了一種重要的周期性——莫爾超晶格。在石墨烯/六方BN異質結中，莫爾超晶格的存在使得研究人員觀測到了電子微帶，而在扭轉的石墨烯雙層結構中，其效應因層間共振條件而加強，導致了魔角位置的超導體-絕緣體轉變。英國謝菲爾德大學Alexander I. Tartakovskii團隊和曼徹斯特大學Vladimir I. Fal′ko團隊合作，利用非共格的單層WSe₂/WS₂半導體異質結，證明了激子帶可雜化，進而導致莫爾超晶格效應的共振加強。作者選擇WSe₂/WS₂體系是因為其導帶邊緣的近簡并性可以促進層內和層間激子的雜化。研究中，雜化通過顯著的激子能移是層間轉角的周期性函數這一現象顯示出來，而激子能移的周期性是因為：雜化激子是由MoSe₂中空穴產生的，且MoSe₂與相鄰單層中扭轉依賴的電子態疊加存在相互作用。對于單層結構近乎共格的異質結，電子態的共振混合使得異質結的幾何莫爾條紋對雜化激子的色散譜和光譜具有明顯影響。在基于范德華異質結的半導體器件領域內，該研究豐富了能帶工程的策略。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-0986-9

6、Nature:?三維金屬與二維半導體之間的范德華相互作用

隨著場效應晶體管中半導體通道尺寸的減小，源極和漏極處金屬-半導體界面的接觸電阻增大，影響了器件的性能。二維(2D)過渡金屬二硫化物，如二硫化鉬(MoS₂)，已經被證明是超薄場效應晶體管的優良半導體。然而，在金屬與二維過渡金屬二硫化物的界面上發現了異常高的接觸電阻。近年來的研究表明，石墨烯與過渡金屬二硫化物以及金屬與過渡金屬二硫化物間形成的范德華相互作用獲得了良好的接觸性能。然而，三維金屬與單層二維過渡金屬二硫化物之間的范德華相互作用尚未得到證實。有鑒于此，Manish Chhowalla等人深入研究了金納米電極包覆的10nm厚的銦金屬與單分子層MoS₂之間的范德華相互作用。掃描透射電子顯微鏡成像證明了金屬銦和二硫化鉬間的范德華相互作用。單層MoS₂的銦/金電極的接觸電阻為3000±300歐姆，多層MoS₂為800±200歐姆。這些數值是在三維金屬電極與二硫化鉬界面上觀察到的最低值之一，使高性能場效應晶體管的遷移率高達到167±20平方厘米每伏特每秒。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1052-3

7、Nature:?手性扭曲范德華納米線

內布拉斯加大學Peter Sutter和 Eli Sutter團隊展示了一類材料-層狀晶體的范德華納米線，其中可調諧的層間扭曲在合成過程中自然演變。在氣-液-固生長中，GeS納米線（各向異性層狀半導體）沿著線軸分層結晶，并且具有形成軸向螺旋位錯的明顯傾向。納米分辨電子衍射顯示，由于軸向位錯的應力場，由圓柱形固體端部上的扭矩引起Eshelby扭曲，進而在范德華納米線中引起手性結構。研究表明，面內GeS晶體軸沿著線逐漸旋轉，并且螺旋的相鄰GeS層由于層間扭曲而自然地形成了莫爾圖案。通過改變納米線厚度可以調節軸向旋轉和扭曲。該研究證明了界層間莫爾圖案沿著納米線上的螺旋路徑而不是平面界面實現，使得具有確定扭轉角的范德華結構的可擴展制造邁出重要的一步。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1147-x

8、Nature:?螺旋扭曲的范德華結構

扭曲的范德華結構的常用制備策略為轉移-堆疊過程，該方法的一個缺陷在于不能用于具有相對較強的層間作用力的材料。因此，科學家開始探索自下而上的簡便方法來制備更多扭曲的范德華結構。有鑒于此，美國加州大學伯克利分校Jie Yao研究團隊基于Eshelby扭曲，得到了一種螺旋扭曲的范德華結構。研究表明，與螺旋位錯（手性拓撲缺陷）相關的Eshelby扭曲，可以在從納米尺度到介觀尺度上驅動范德華結構的形成，而且可以通過控制結構的徑向尺寸來定制扭曲拓撲。在合成過程中，研究團隊首先將軸向螺旋位錯引入沿堆疊方向生長的GeS納米線中，產生具有連續扭曲的范德華納米結構，其中總扭曲率由納米線的半徑限定。因為總扭曲率由基板固定，附著于基板的那些扭曲納米線進一步徑向生長，就會導致彈性能量的增加。?通過在一系列離散跳躍中調控固定的扭曲率，可以減少存儲的彈性能量，從而產生介觀尺度的扭曲結構，這種扭曲結構由螺旋組裝的納米板構成。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1308-y

9、Nature:?三層石墨烯/hBN范德華異質結的超導性能調控

三層石墨烯（ABC-TLG）/hBN異質結為三角形Hubbard模型的系統研究提供了理想的平臺：理論計算表明，該異質結系統的三角形超晶格中表現出一個近乎平整的獨立的微帶，通過垂直電場的變化，可以調整微帶的帶寬。相比之下，魔角扭曲雙層石墨烯的則表現出兩個平坦的微帶，并且總在單粒子帶結構中相交。有鑒于此，加州大學伯克利分校Feng Wang、復旦大學Yuanbo Zhang、斯坦福大學David Goldhaber-Gordon等團隊報道了在1/4填充Mott狀態，三層石墨烯（ABC-TLG）/hBN異質結中超導結構的調控變化特征。1）在相對于1/4填充莫特態進行電子和空穴摻雜時，研究人員觀察到兩個明顯的超導圓頂。2）作者還發現，通過控制垂直電場，ABC-TLG / hBN異質結構中的超導、絕緣和金屬態之間很容易發生轉變。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1393-y

10、Nature:?二維材料范德華異質結中靜電門控效應的可視化表征研究

在場效應晶體管中，對電子狀態（譬如局部電勢變化、費米能級、能帶結構等）的直接觀測可以加深我們對物理的深入理解，從而有助于我們對設備的功能進行持續改進。有鑒于此，華盛頓大學Xiaodong Xu、David H. Cobden和華威大學Neil R. Wilson等團隊報道了一種微尺度的角分辨光電子能譜，可實現對二維范德華異質結器件中的電子狀態進行監測研究。值得一提的是，檢測可以在單個器件上進行，從而對柵極控制的電子和光學特性之間的關系可以進行深入和精確的研究。作者發現，在雙端石墨烯器件中施加柵極電壓時，費米能級會發生移動，跨越狄拉克點，且色散幾乎不發生變化。在二維半導體器件中，導帶邊緣則不斷地進行著電子積累，邊緣的能量和動量不斷聚集。在單層WSe₂中，隨著靜電摻雜的增加，帶隙降到幾百個meV，接近激子能量。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1402-1

11、Nature:?原子核中具有擴展空間相干性的層間激子激光器

二維半導體由于其強大的激子-光子相互作用以及工程和集成的靈活性而成為一種新型的納米光子材料。利用這些特性，密歇根大學的Hui Deng等設計了一種高效的基于Dipoar層間激子的激光介質，該介質具有旋轉排列的原子薄異質結構。從過渡金屬二鹵化氫異質雙層集成在氮化硅柵諧振器中測量激射。整個發射閾值觀察到發射的空間相干性急劇增加。這項工作建立了二維異質結構中的層間激子作為與硅相容的相干介質。這些層間激子具有電可調的光物質相互作用強度和遠距離偶極相互作用，因此有望應用于低功率，超快激光和調制器以及豐富的多體量子現象。

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https://www.nature.com/articles/s41586-019-1779-x

12、Science:?二維異質結延長激子壽命

激子（固體中的電子和空穴的結合對）原則上可以用作信息載體。但是，由于電子和空穴傾向于快速復合，因此它們的壽命受到限制。延長壽命的一種方法是物理隔離電子和空穴，譬如通過使它們位于范德華異質結構的不同層中。有鑒于此，哈佛大學Philip Kim團隊使用這種策略在由單層二硒化鉬（MoSe₂）和單層二硒化鎢（WSe₂）構成的范德華異質結構中形成長壽命的層間激子。通過對異質結構中各層的電控制，研究人員進一步提高了激子壽命，并形成并操縱了帶電激子。

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https://science.sciencemag.org/content/366/6467/870

13、Science:?范德華堆疊依賴的層間磁性

通過對二維磁性材料的廣泛研究，科學家已經發現了許多相關的范德華材料，例如三碘化鉻（CrI₃）和三溴化鉻（CrBr₃）。盡管它們理論上具有相似的性質，但在雙層形式中，前者是反鐵磁性的，而后者似乎是鐵磁體。二維層狀磁性材料之間的磁耦合特性，可能為新型磁性器件的研制帶來新思路。考慮到二維層狀磁性材料之間具有較弱的原子層間范德華力，這使得人為構造層間范德華堆疊堆疊成為可能。有鑒于此，復旦大學高春雷課題組和吳施偉課題組合作，研究了雙層CrBr₃的磁性狀態如何取決于單層堆疊的類型。研究團隊使用自主開發的自旋極化掃描隧道顯微鏡等手段發現，當兩個單分子層以相同方向取向時形成反鐵磁狀態，而相反的取向則導致鐵磁性。

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https://science.sciencemag.org/content/366/6468/983

本文由eric供稿。

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