這個材料去年狂撒13篇N/S，現在已發5篇！

利用轉移堆垛的技術將二維材料沿著垂直平面方向制備成各種異質結構。層間較弱的范德華力可以任意垂直堆疊而無晶格失配。因此，就像玩樂高一樣，人們可以根據特定的需求選擇合適的材料構筑出自然界中不存在的材料體系。把不同的維材料通過弱范德華作用力堆疊在一起就形成了的范德瓦爾斯異質結構。

而二維材料家族擁有眾多性質迥異的成員，這為各類新功能、新原理和新結構的原子/納米尺度異質結器件的研究提供了一個巨大的寶庫。在未來的集成電路、光電探測器、傳感器中具有功能性的范德瓦爾斯異質結必將扮演重要的作用，實現萬物互聯的時代。

進入2020年，范德瓦爾斯異質結的研究不斷出新，目前在Science、?Nautre及子刊中多有報道，一起關注下吧。

1、Science：一維范德瓦爾斯異質結構

異質結構是一類材料，其中不同原子層同軸地堆疊。日本東京大學Rong Xiang 教授聯合印度、中國、美國等多名學者介紹了一維（1D）范德華異質結構的實驗合成，證明了單壁碳納米管（SWCNTs）上六方氮化硼（BN）和二硫化鉬（MoS₂）晶體的單晶層的生長。 對于后者，更容易合成克服應變效應的大直徑納米管。他們還報告了一個5nm直徑的異質結構，該結構由內部SWCNT，中間的三層BN納米管和外部的MoS₂納米管組成，類似于類似“俄羅斯套娃”的一維范德華異質結構，電子衍射證實異質結構中的所有殼都是單晶。 這項工作表明，當前2D庫中的所有材料都可以卷入其1D對應物中，并且可以實現大量功能可設計的1D異質結構。相關研究以“One-dimensional van der Waals heterostructures”為題發表在Science上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1126/science.aaz2570

圖1?SWCNT- MoS₂?1D異質結構的結構表征

2、Nature：二維范德瓦爾斯異質結構陣列的合成方法

二維范德華異質結構(vdWHs)引起了廣泛的關注。然而，迄今為止報道的大多數vdWHs都是通過微機械剝離制作而成的，盡管這一過程可用于概念驗證演示和基礎研究，但顯然無法用于實際技術。湖南大學的段曦東教授聯合加州大學洛杉磯分校段的鑲峰教授等人報告了一種過渡金屬硫化物(m-TMDs)和半導體過渡金屬硫化物TMDs (s-TMDs)之間的二維vdWH陣列的通用合成策略。通過對單層或雙層s-TMDs上的成核位點的選擇圖案化，可以在預先指定的空間位置，通過可設計的周期排列和可調的橫向尺寸，精確地控制不同m-TMDs的成核和生長，生成一系列vdWH陣列。系統掃描透射電鏡研究揭示了具有廣泛可調莫爾超晶格接近理想的vdW界面。進一步證明了合成策略可制備具有優異性能和高產量的晶體管器件，為高性能設備提供了一個可擴展的途徑。相關研究以“General synthesis of two-dimensional van der Waals heterostructure arrays”為題目，發表在Nature上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-020-2098-y?

圖2?VSe₂/WSe₂范德瓦爾斯異質陣列的表征

3、Nature：莫爾超晶格中的可調相關Chern絕緣子和鐵磁性

在強磁場中對二維電子系統的研究揭示了量子霍爾效應，它是一種物質的拓撲狀態，具有有限的陳數（Chern number）和手性邊緣態。Haldane隨后提出理論，即使在零磁場情況下，具有整數量子霍爾效應的Chern絕緣子也可能出現在具有復雜跳變參數的晶格模型中。范德瓦爾斯異質結構中的莫爾超晶格已成為工程量子現象的有力工具，ABC-三層石墨烯/六方氮化硼(ABC-TLG/hBN)莫爾超晶格為探索Chern絕緣體提供了一個有吸引力的平臺，因為它具有近乎平坦的莫爾微帶，其Chern數與谷值相關，隨電可調。在此，復旦大學的張遠波教授，加州大學伯克利分校的王豐教授及斯坦福大學David Goldhaber-Gordon教授等人報告了在ABC-TLG/hBN莫爾超晶格中相關的Chern絕緣子的實驗觀察。結果表明，通過改變垂直電場的方向，ABC-TLG/hBN在0和非0?陳數之間的莫爾微帶會發生改變，這與磁輸運行為的變化有關。在零磁場下表現出明顯的磁滯現象和反常霍爾信號。該研究在零磁場下發現C=2的Chern絕緣子為為發現相關的拓撲態提供機會。相關研究以“Tunable correlated Chern insulator and ferromagnetism in a moiré superlattice”為題目，發表在Nature上。

文獻鏈接：

DOI:?10.1038/s41586-020-2049-7

圖3?ABC-TLG/hBN莫爾超晶格和可調諧的莫爾帶

4、Nature：WSe₂/WS₂超晶格中的相關物理現象

莫爾超晶格可用于設計二維范德華異質結構中強相關電子態，最近的研究表明，在磁角雙分子層石墨烯和ABC-三層石墨烯/氮化硼云紋超晶格中發現了相關的絕緣和超導狀態。TMD異質結構由于其強的光-物質相互作用和大的自旋軌道耦合，為相關量子現象的研究提供了另一種模型體系。然而，該系統中相關絕緣態的實驗觀測與傳統的技術相比存在一定的挑戰。加州大學伯克利分校Feng Wang團隊報道了半導體異質結WSe₂/WS₂莫爾超晶格中強相關相位的光學檢測。研究使用一種靈敏的光學檢測技術，在每個超晶格的一個孔處發現了莫特絕緣體狀態，在超晶格的1/3和2/3處發現了令人驚訝的絕緣體相，這歸因于底層晶格上的廣義Wigner結晶。莫特絕緣狀態下,觀測到微秒的長自旋弛豫壽命，比電荷激勵的壽命長幾個數量級。研究發現在石墨烯之外使用莫爾超晶格探索相關物理性質的價值。相關研究以“Mott and generalized Wigner crystal statesin WSe₂/WS₂?moiré superlattices”為題目，發表在Nature上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s41586-020-2092-4

圖4?WSe₂/WS₂?超晶格的光學檢測

5、Nature：WSe₂/WS₂莫爾超晶格中哈伯德模型的物理模擬

哈伯德模型(Hubbard model)是物理學家約翰·哈伯德(John Hubbard)在1960年1月提出的，是一個簡單的量子粒子在晶格中相互作用的理論模型。該模型被認為可以捕捉高溫超導體、磁性絕緣體和其他復雜的量子多體基態的基本物理性質。康奈爾大學Kin Fai Mak教授、Jie Shan教授等人通過對WSe₂/WS₂雙分子層的研究，得到了二維三角晶格哈伯德模型的相圖。WSe₂/WS₂雙分子層是由于兩種材料的晶格常數不同而形成莫爾超晶格的。通過測量系統的光響應對離面磁場和柵調載流子密度的依賴關系來探測系統的電荷和磁性能。在第一空穴云紋超晶格帶的半躍遷過程中，觀察到一種反鐵磁的莫特絕緣狀態。實驗表明，在近0.6倍頻移的情況下，從反鐵磁態到弱鐵磁態的量子相變是可能的。該結果建立了一個新的基于莫爾超晶格的固態平臺，哈伯德模型可以用來模擬三角晶格的強相關物理問題。相關研究以“Simulation of Hubbard model physics in WSe₂/WS₂ moiré superlattices”為題目，發表在Nature上。

文獻鏈接：

DOI:?10.1038/s41586-020-2085-3

圖5?WSe₂/WS₂雙層結構的II型帶對準

6、Nat. Nanotechnol.：波導集成的高速、高響應的范德瓦爾斯異質結構光探測器

基于二維過渡金屬硫化物(TMDCs)的新型光電器件由于其強的光-物相互作用和獨特的材料特性而得到了廣泛的研究和開發。特別是，具有高速和高響應性能的光電探測器具有很大的應用前景，例如在標準化電信波長操作的高速率互連。然而，TMDCs固有的較小的載流子遷移率成為高速應用的瓶頸。在這里，蘇黎世聯邦理工學院的Lukas Novotny教授、Juerg Leuthold?教授、Ping Ma教授等人在硅光子平臺上集成了高性能垂直范德瓦爾斯異質結構的光電探測器。垂直MoTe₂?-石墨烯異質結構設計最小化了TMDCs中的載流子傳輸路徑，并在中等偏壓下（-3V）實現了高達24 GHz的帶寬紀錄值。使用更高的偏壓或更薄的MoTe₂片，帶寬可提高到50GHz。同時，得益于集成波導設計，設備在1300nm入射光下達到了高的外部響應率0.2 AW^-1。研究闡明了性能權衡，并提出了快速高效設備的設計準則。雙模異質結構和集成波導納米光子學的結合，為實現高性能光電器件，如光電探測器、發光器件、電光調制器等提供了一個有吸引力的平臺。相關研究以“Waveguide-integrated van der Waals?heterostructure photodetector at telecom wavelengths with high speed and highresponsivity”為題目，發表在Nat. Nanotechnol.上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s41565-019-0602-z?

圖6?立式MoTe₂-石墨烯異質結構光電探測器

7、Nat. Nanotechnol.：范德瓦爾斯異質結構的層分辨磁鄰近效應

磁鄰近效應對于操縱異質結構中的自旋子、超導、激子和拓撲現象是不可或缺的。這些效應對界面電子性質非常敏感，如電子波函數重疊和能帶對準。磁性二維材料的出現為探索范德瓦爾斯異質結構中的鄰近效應開辟了新的可能性，特別是，原子厚度的CrI₃表現出層狀的反鐵磁性，其中相鄰的鐵磁單分子層是反鐵磁耦合的。在此，華盛頓大學Xiaodong Xu教授等人報告了由單分子層WSe₂和雙/三分子層CrI₃形成的異質結構的層分辨磁性鄰近效應。利用磁場控制CrI₃中單個層的磁化強度，發現WSe₂和CrI₃之間的自旋相關電荷轉移受界面CrI₃層控制，而鄰近交換場對整個層狀磁結構高度敏感。結合反射磁性圓二色性測量，單層WSe₂可作為一種空間敏感的磁傳感器，用于繪制零磁場下的層狀反鐵磁疇結構以及有限磁場下的反鐵磁/鐵磁疇。該工作揭示了一種通過范德華工程控制接近效應和探測界面磁序的方法相關研究以“Layer-resolved magnetic proximity effect in?van der Waals heterostructures”為題目，發表在Nat. Nanotechnol.上。

文獻鏈接：

DOI:?10.1038/s41565-019-0629-1?

圖7?單分子層WSe₂/雙分子層CrI₃異質結構中的鄰近效應

8、Nature Electronics：由范德瓦爾斯異質結構制成的反隧穿場效應晶體管

依賴于量子隧穿的半導體器件可用于邏輯、存儲器和射頻應用。具有負微分電阻的隧道設備通常遵循這樣的工作原理，即隧道電流直接貢獻于驅動電流。在這里，華中科技大學吳燕慶教授團隊等人報告了一個隧穿場效應晶體管由黑磷/Al₂O₃/黑磷范德瓦爾斯異質結構集成，其中隧穿電流相對于驅動電流是橫向。通過靜電效應，這種隧穿電流可以引起輸出電流的劇烈變化，從而在室溫下產生可調的負微分電阻，其峰谷比超過100。器件也表現出突變，其體因子(柵電壓相對于表面電位的相對變化)是傳統晶體管在寬溫度范圍內的玻爾茲曼極限的十分之一。相關研究以“A?transverse tunnelling field-effect transistor made from a van der Waals?heterostructure”為題目，發表在Nature Electron.上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s41928-019-0364-5

圖8?器件結構與表征

9、Nature Materials：范德瓦爾斯異質結構中可調諧的室溫自旋電流效應和自旋霍爾效應

自旋軌道耦合是實現電荷和自旋電流相互轉換和通過自旋轉矩現象控制磁性材料磁化的有力工具。然而，盡管現有體材料的多樣性和最近出現的界面和低維效應，控制這種相互轉換在室溫仍然難以捉摸。在此，西班牙加泰羅尼亞納米科學和納米技術研究所L. Antonio Benítez教授、Williams Savero Torres教授、聯合西班牙Institució Catalana de Recerca i Estudis Avan?ats (ICREA)的?Sergio O. Valenzuela教授等人證明了在石墨烯中，由于石墨烯、WS₂的鄰近性，其室溫自旋電荷間的相互轉換得到增強。通過在適當設計的霍爾棒中進行旋進實驗，研究分離了自旋的霍爾和自旋電流效應。值得注意的是，它們相應的轉換效率可以通過靜電門調節大小和符號，在電荷中性點附近達到峰值，其等效大小可與迄今為止報道的最大效率相媲美。這種電場可調性為無磁性材料的自旋生成和超緊湊磁記憶技術提供了基礎。相關研究以“Tunable room-temperature spin galvanic and spin Hall effects in van der Waals heterostructures”為題目，發表在Nature?Materials上。

文獻鏈接：

DOI: 10.1038/s41563-019-0575-1

圖9?鄰近TMDC和方案測量石墨烯中的SCI轉換

文中如有不妥之處，歡迎評論區留言~

本文由Junas供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。