香港科技大學物理系王寧教授研究團隊近期二維材料亮點工作介紹

二維材料因其獨特的層間范德瓦爾斯作用力和原子層精度的堆疊可控性成為當下最熱門的凝聚態物理研究前沿之一。通過控制層間旋轉角度，從而調節晶體對稱性（例如摩爾周期波長和局域層間原子排列）的“轉角電子學”催生了眾多的新奇光電物性，包括超導、莫特絕緣態、非線性電荷輸運、鐵電鐵磁等強關聯現象。不同于單質金屬的石墨烯，多元的過渡金屬硫族化合物（TMDC）提供了從金屬到半導體的可調帶隙、自旋-軌道強耦合、對稱性依賴的能谷和豐富的層間堆疊結構等自由度。作為世界領先的二維材料研究團隊之一，香港科技大學物理系王寧教授課題組近期通過先進顯微技術與微納器件測量相結合的方法，從構效關系角度切入，在TMDC材料體系中取得了一系列原創突破性成果，下面讓我們來了解一下吧。

1、層數依賴的轉角摩爾界面重構與應力調控-Nanoscale 2021, 13, 13624-13630, https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d1nr04264e/

傳統的簡單摩爾能帶模型通過引入剛性連續體假設大大簡化了分析復雜度，但卻忽視了柔性二維材料的晶體界面弛豫或原子重構對晶格應力分布、能帶結構和表觀光電物性的巨大影響，因此其合理應用范圍僅限于相對較大轉角的摩爾體系。當層間轉角小于特定臨界角度（TMDC體系一般為4度左右），局域層間原子堆垛的相互作用力和層內彈性形變的競爭關系將隨著摩爾周期波長增大而急劇顯現，表現為豐富的超晶格結構和局域化應力花樣。然而，當下小角度摩爾能帶理論的發展仍然受限于沒有清晰的層間界面重構和相關聯應力分布的實空間結構模型，因此課題組以六方相（2H）二硒化鎢為模板材料，結合低加速電壓的球差校正掃描透射電子顯微學（STEM）和低溫場效應晶體管電輸運等技術，深入解構了小轉角摩爾體系里奇偶層數依賴的界面重構演變和局域應變效應。

圖一：轉角樣品制備和定量電子衍射分析。?2021 Royal Society of Chemistry

圖二：層數和角度依賴的界面重構演化。?2021 Royal Society of Chemistry

圖三：幾何相位應力分析。?2021 Royal Society of Chemistry

圖四：場效應晶體管電輸運驗證界面重構應力網絡效應。?2021 Royal Society of Chemistry

圖一展示了“tear-and-stack”干法制備層間旋轉角度可控的1L/1L WSe2、以及典型的高角環形暗場STEM圖像和對應的選區電子衍射花樣。布拉格衍射點周圍的高階衛星斑點佐證了層間界面重構和強層間耦合效應的出現。統計分析特定衛星斑點與所屬布拉格衍射點的強度比證實了4度以下隨轉角減小而指數級增強的界面重構效應，同時2L/2L WSe2由于構成層數增加、層間弛豫抑制力增大，角度依賴程度（衛星斑點出現臨界角度和歸一化強度/角度變化率）也相應有所提高。相較于倒空間電子衍射的廣范圍均一化分析，圖二從實空間直接探測的方法、系統性地展示了轉角摩爾的界面演化規律。隨著層間轉角逐漸減小，從優勢堆疊疇域擴張獲得的系統能量降低足以克服界面重構需要的原子位移阻力做功，1L/1L WSe2與2L/2L WSe2呈現出截然不同的界面重構圖案（分別為鏡面對稱三角和近似籠目結構的周期重復疇域花樣）和局域化的原子堆垛結構。需要注意的是，兩者雖然遵循相同的摩爾周期波長規律，但層間堆垛的高度局域化打破了傳統的摩爾結構、層內彈性形變使層內剪切應力累積到了3-4納米的疇界內，從而顯示出奇偶層數依賴的不同應力網絡分布（如圖三所示）。這種空間限域的應力網絡使得摩爾平帶分裂成多個窄帶寬的迷你平帶，體現為隨載流子濃度增加而不斷涌現的導電態。而在大轉角樣品中，簡單的連續剛體模型仍然有效，只有單一的摩爾平帶出現（如圖四所示）。

2、原子層厚TMDC半導體與金屬電極的電界面工程-Nature Communications 2022, 13, 1777, https://www.nature.com/articles/s41467-022-29449-4

盡管堆疊結構和能帶性質高度可調的TMDC二維材料，尤其是轉角摩爾系統，極大地豐富了低維凝聚態物理相圖，探測這些奇妙量子物性對原子層厚TMDC半導體與金屬電極之間的電界面提出了極高的要求，特別是對于在極低溫下的電輸運研究。如圖一所示，原子層厚TMDC半導體與金屬電極之間的電界面往往容易存在來自范德瓦爾斯弱成鍵的隧穿結和源于雜質能級釘扎金屬費米面的肖特基結，極大地阻礙了界面電荷傳輸，進而形成巨大的接觸電阻和降低晶體管內的載流子遷移率。有鑒于此，課題組首次提出了基于軟著陸氧等離子處理的高質量電接觸方法，通過高度可控的局域成鍵改造（LBD）有效提高了原子層厚TMDC與金屬電極的電荷傳輸效率。

圖一：原子層厚TMDC與金屬電極間不同電界面的能帶示意圖。?2022 Springer Nature

圖二：LBD可控性的技術實現示意圖。?2022 Springer Nature

圖三：原子層厚MoS2邊接觸型電界面的結構驗證。?2022 Springer Nature

圖四：原子層厚MoS2邊接觸型電界面的電學表現。?2022 Springer Nature

圖五：原子層厚WSe2面接觸型電界面的結構驗證和電學表現。?2022 Springer Nature

如圖二所示，這種基于LBD界面優化的電接觸工程是高度可控的。通過選擇不同的參考窗口，反應離子刻蝕技術可以精確地暴露TMDC的邊緣或是表面、從而實現選擇性的LBD生成和不同的電接觸類型。在圖三和圖四中，我們用三層MoS2示范了LBD優化的邊接觸型電界面。納米限域的LBD使MoS2邊緣變成了半金屬四方相，其態密度分散于六方體相帶邊，從而平穩鏈接了半導體體相和金屬電極，有效避免了隧穿結和肖特基結的產生。全溫域的歐姆性質和超低接觸電阻（90Ωμm）充分說明了這個技術的有效性。同時，使用聚焦離子束技術從電輸運樣品電極處制備的截面薄膜在原子尺度表征了電界面LBD結構的產生。

這種LBD界面改性具有很好的材料和電接觸幾何結構普適性。在圖五，我們用五層WSe2驗證了LBD優化的面接觸型電界面。自限域的LBD結構只出現在與金屬電極接觸的表面單層，呈現出四方和畸變四方相的混合結構。通過LBD構建的WSe2-金屬電極電界面，我們實現了全溫域的歐姆性質、超低的接觸電阻（0.7kΩμm）、超高的載流子遷移率（358000cm^2/Vs）和極低磁場下的量子震蕩。

總結：結合深入的原子結構理解和領先的微納器件工藝積累，課題組不僅深入解構了小轉角摩爾體系里奇偶層數依賴的界面重構演變和局域應變效應，而且首次提出了原子層厚TMDC通用的基于軟著陸氧等離子處理的高質量電接觸方法。課題組持續對TMDC材料體系中的奇異凝聚態物性進行探索，近期在轉角摩爾超晶格的非線性霍爾效應和非典型鐵電現象上都有突破性進展，敬請期待。

作者介紹：

香港科技大學物理系講席教授兼量子材料中心主任，王寧教授曾榮獲吳健雄物理獎、國家自然科學獎和全球華人物理與天文學會頒發的亞洲杰出成就獎等，在Nature、Science、PRL等各類國際學術刊物上發表論文280余篇，累計超過23000引用，h-index = 79。作為首席科學家，王寧教授于2020年底獲得國家科技部量子調控與量子信息重大研發專項資助，聚焦“轉角石墨烯及其他摩爾超晶格材料的奇異物性研究”，是科技部在香港地區二維材料領域的唯一重大項目。課題組具有國際領先的器件制備實驗室、材料表征平臺、長年高質量器件制備/測量的工藝積累和國際一流的超低溫高磁場電輸運/量子電容測量系統。本組長期與歐美著名實驗室有密切人員交流及合作，近年來不斷在國際頂級刊物發表開創性成果。課題組誠邀具有良好物理背景的學生及科研工作者加入，研究方向包括二維量子材料（包括二維半導體、超導體、磁性材料等）的高質量器件制備、超低溫高磁場下的量子電輸運/量子電容行為等，特別是轉角二維摩爾超晶格、非線性霍爾效應、自旋-能谷關聯的奇異物性研究。歡迎查看課題組主頁（https://phwang.ust.hk/）及郵箱聯系加入事宜（phwang@ust.hk）。