Nature子刊：實現釐米級疊層二維材料製備及轉角精確控制

2020-10-13 材料material


二維材料的維度與界面調控是推動其持續蓬勃發展的重要因素。由於二維材料層間弱的範德華力相互作用，可以按需將任意的二維材料堆疊在一起，組合成範德華雙層及多層人工材料，從而實現對其物理性能的調製。利用轉角自由度調控，會在人工疊層材料中引發多種有趣的物理行為，例如非常規超導電性、摩爾激子、隧穿電導、非線性光學以及結構超潤滑等。由此，也開啟了轉角電子學的時代。目前，實驗上通常採用解理與轉移技術來實現轉角多層結構的製備，樣品大小通常在微米量級，極大地阻礙了二維材料轉角電子學的應用。因此，如何在大尺度下製備高質量、轉角精確可控的多層範德華同質/異質結樣品非常重要。


中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心納米物理與器件實驗室張廣宇研究組一直致力於新型二維材料（如石墨烯、二硫化鉬）的外延與物性調控研究，取得了一系列成果。近幾年來，他們採用MOCVD的設計思路搭建了分立源式三溫區氣相範德瓦爾斯外延系統，利用氧輔助的自限制生長（JACS 2015, 137, 15632；ACS Nano 2017, 11, 12001），在2英寸藍寶石晶圓襯底上成功外延了高質量、晶粒取向一致的單層二硫化鉬薄膜。

近期，針對大尺度疊層結構的製備問題，該組廖夢舟博士（現為捷克理工大學博士後）、魏爭、杜羅軍博士（現為芬蘭阿爾託大學博後）在張廣宇研究員和楊蓉副研究員的共同指導下，利用上述2英寸高度定向的單層MoS2和水輔助轉移方法相結合，實現了釐米級堆垛的多層MoS2同質結製備及層間轉角的精確控制。通過光致發光峰位移確認轉角可以連續改變釐米級堆垛的多層MoS2同質結的間接帶隙。該工作提供一種經濟高效且可擴展的加工技術，通過二維材料的外延技術和轉移技術相結合，實現精確轉角控制下的大面積二維材料範德華同質和異質結的加工，有望為轉角調控的低維電子和光子學的應用發展開闢道路。相關結果發表在Nature Communications上。

上述工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院B類先導專項、中科院青促會、松山湖材料實驗室等的資助。

文章連結

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16056-4

圖. a) 從單層MoS2到疊層MoS2同質結的構築示意圖；b)-d)疊層MoS2的質量表徵：轉角精度可控、大範圍均勻與乾淨的表界面；e)-i) 轉角調控對疊層MoS2間接帶隙及層間耦合效應的影響


本文來自「中國科學院物理研究所」。

相關焦點

  • 釐米級疊層MoS2的精準轉角調控
    二維材料的維度與界面調控是推動其持續蓬勃發展的重要因素。由於二維材料層間弱的範德華力相互作用，可以按需將任意的二維材料堆疊在一起，組合成範德華雙層及多層人工材料，從而實現對其物理性能的調製。利用轉角自由度調控，會在人工疊層材料中引發多種有趣的物理行為，例如非常規超導電性、摩爾激子、隧穿電導、非線性光學以及結構超潤滑等。
  • 進展 | 釐米級疊層MoS2的精準轉角調控
    二維材料的維度與界面調控是推動其持續蓬勃發展的重要因素。由於二維材料層間弱的範德華力相互作用，可以按需將任意的二維材料堆疊在一起，組合成範德華雙層及多層人工材料，從而實現對其物理性能的調製。利用轉角自由度調控，會在人工疊層材料中引發多種有趣的物理行為，例如非常規超導電性、摩爾激子、隧穿電導、非線性光學以及結構超潤滑等。由此，也開啟了轉角電子學的時代。
  • Nature:光學魔角,二維材料轉角遇見光
    ，包括雙層過渡金屬硫化物中的層間激子激元，雙層旋轉的磁學二維材料中的層間磁學性質等。這背後的物理來自於旋轉控制的電子波函數的層間耦合，由此發展出了「轉角電子學」（twistronics）研究領域。然而，類似的雙層旋轉的低維材料系統裡，其光學波函數及能帶的層間耦合卻鮮為人知。
  • 西安建大Nature子刊：通道尺寸可控，二維薄膜實現有效離子篩分
    自2010年英國科學家安德烈蓋姆教授和康斯坦丁諾沃肖洛夫教授因在石墨烯材料相關研究獲得諾貝爾物理獎以來，以石墨烯為代表的各類二維材料逐漸進入人們的視野，並在多個重要領域展現了極大的應用潛力。其中，利用二維納米材料進行分離膜製備，並實現不同尺寸量級的物質更加精確、快速的篩分與傳質，成為膜分離技術領域的熱門課題。
  • 二維材料，三篇子刊！TMD、石墨烯、2D-MOF
    二維材料用於非線性光纖的優勢在於:(1)原子薄層不會破壞光纖中的高質量波導模式;(2)光纖內增強的光-二維材料相互作用可以引起超高的非線性光學響應。在現有的製造技術中，非線性是通過將非線性材料注入光纖或製造微結構光纖來實現的，前者因為非線性二維材料主要通過直接轉移技術附著在光纖上，存在傳播失真，光-材料相互作用長度較短，難以批量生產的缺點，後者則存在設計靈活性差的問題。
  • Nature:北大劉開輝課題組首次實現分米級二維單晶六方氮化硼的製備
    導讀2019年5月22日，北京大學物理學院劉開輝研究員、俞大鵬院士、王恩哥院士與合作者在《自然》雜誌在線發表題為「Epitaxial growth of a 100-square-centimetre single-crystalhexagonal boron nitride monolayer on copper」的研究論文，在國際上首次報導利用中心反演對稱性破缺的單晶銅襯底實現分米級二維單晶六方氮化硼的外延製備
  • 疊層有機太陽能電池材料與器件製備取得系列進展
    疊層器件結構可有效拓寬太陽能電池的光響應範圍，在提升各種類型光伏電池的光電轉換效率（PCE）方面具有重要應用。相比於單結電池，疊層電池中涉及更多類型的光電活性和電極修飾層材料、且具有更加複雜的器件結構，實現高效率的疊層電池材料與器件製備是一項十分具有挑戰性的工作。在關鍵材料方面，高效率疊層有機太陽能電池需要分別具有較寬和較窄光學帶隙的子電池活性層材料以及用於聯結子電池的中間連接層材料。
  • 進展|普適性機械解理技術製備大面積二維材料
    近十多年來，機械解理技術已被廣泛應用於製備各種高質量的二維材料。石墨烯、MoS2以及單層高溫超導材料Bi2212等諸多材料的本徵物理性質，都是在機械解理的樣品上觀察到。在異質結和轉角石墨烯等人造晶體中，機械解理的樣品也同樣展現出獨特的優勢。機械解理的樣品與基底相互作用弱，製備過程相對簡單，樣品質量高，這些優勢使得該方法在二維材料研究中獲得了極大的成功。
  • 《Acta Mater》「編碼」累積疊軋製備多級特徵結構納米疊層材料​
    科研人員採用了一種改進的累積疊軋焊接技術(coded-ARB)，通過「編碼」二元組分的尺度分布，製備出一種具有多級特徵結構並滿足上述性能要求的鈮基納米疊層材料。本論文研究發現，通過實現類似「條形碼」形貌的雙相分層結構可以有效的調控箔材在軋制過程中的局部應力分布，將部分剪切力轉化為壓應力，延緩材料開裂，增加等效應變。其中，高密度的納米級銅層抑制位錯運動，通過防止裂紋在鈮基體層間的拓展，進而提高納米疊層材料的強度和韌性，並增強了納米級鈮層的抗氧化能力。
  • HORIBA | 中科院金屬所全新二維層狀材料,實現釐米級單層薄膜 |...
    ，最終製備出一種不存在已知母體材料的全新二維範德華層狀材料——MoSi2N4，並獲得了釐米級單層薄膜。他們在CVD生長非層狀二維氮化鉬的過程中，引入矽元素來鈍化其表面懸鍵，改變其島狀生長模式，最終製備出新型層狀二維材料材料——MoSi2N4。
  • Nature Comm.: 普適性機械解理技術引領二維材料研究新熱潮
    化學氣相沉積法可以製備大面積的二維材料，但對於不同材料製備工藝差異很大，在單晶性、缺陷、層數等方面難以控制，為深入研究二維材料的性質帶來了挑戰；分子束外延法可以獲得單晶質量很高的樣品，但對於真空度、元素的物理性質以及基底的選擇都有極高的要求，很多二維材料難以通過MBE方法製備，並且在某些材料體系中（如單層FeSe），分子束外延法生長的二維材料與基底存在顯著的相互作用，影響到對於材料本徵物性的研究。
  • 南大成果接連登上Science子刊、Nature子刊
    通過這種方式，視網膜在一定程度上實現了信息探測和處理的同步進行。為了實現對視網膜結構和功能的逼真模擬，在該工作中，繆峰團隊提出可以通過"原子樂高"的方式搭建基於二維材料垂直異質結的類腦視覺傳感器，這些垂直結構不僅能夠自然地模仿視網膜的垂直分層結構，而且異質結中包含的不同二維材料可被用來模擬視網膜中不同細胞的功能。
  • 二維材料產業化,路還有多遠?
    液相剝離剛剛可以實現公斤級製備，卻面臨均一性問題；還原氧化石墨烯更是存在空位缺陷和Stone-Wales缺陷。CVD或外延法生長石墨烯薄膜的質量最高，但是也面臨著產品質量、生產效率與成本之間的博弈，無法滿足大規模產業化的需求。
  • 一口氣解理40種大面積單晶二維材料!
    ，指出了層狀材料單層中的最外層元素是影響解理過程的關鍵；2，利用金輔助的方法，成功解理出了40種毫米量級二維材料，並製備出了懸空結構和異質結；3，通過控制金屬層厚度可以實現導電和絕緣的調控，首次在金屬薄膜上製備出高開關比的場效應電晶體。
  • 段曦東:二維材料淘金者
    石墨烯一層層疊起來就是石墨，區區1mm厚的石墨大約包含300萬層石墨烯。而在單層石墨烯被成功製備出來後，人們才得以在此基礎上開展進一步的研究。要對二維材料實現製備，需要實現其化學成分、電子結構、空間分布的精確調製，將它們製備成異質結、超晶格、量子阱等二維結構。
  • 單元素二維材料論文合集 | Nature Research
    在過去的15年裡，對石墨烯、單層和多層過渡金屬硫化物等二維材料以及其他原子尺度厚度的層狀材料的研究進展非常迅速二維材料因其奇特的性質和在電子、傳感、能量存儲和採集等方面的潛在應用而被研究者們所廣泛研究。
  • AM:電化學剝離層狀材料:快速高效製備二維材料的新方法
    隨著石墨烯研究的崛起，各種二維材料（包括過渡金屬硫化物，黑磷以及碳化鈦等）越來越廣泛地應用於傳感器，催化劑，能量存儲，以及多功能電學器件中。然而，這些新技術能否得到深度推廣，取決於能否大批量，低成本地獲取符合應用需求的二維材料。
  • 二維材料,今年第一篇Nature
    發展了一種計算控制二元蛋白質二維材料組裝的新方法。2. 實現了在無序基底上構建有序二維陣列。二維材料，大有可為。連生物學家，都開始對二維材料產生了興趣。有序二維蛋白材料由柔性連結形成單個晶格，這些連結往往只由一種蛋白質成分構成。很自然地，科學家覺得由兩個蛋白質成分組成的材料更具優勢。
  • 南大譚海仁團隊：創世界紀錄效率的大面積全鈣鈦礦疊層太陽能電池
    譚海仁課題組前期通過創新性地採用原子層沉積技術製備緻密的SnO2層（約20 nm厚）引入到疊層電池互聯層中，很好地解決溶液法製備全鈣鈦礦疊層電池中的溶劑正交問題；同時構築了新型的隧穿複合結結構，通過插入金屬薄層（約1 nm厚），實現載流子的高效隧穿複合，有效減少疊層電池在隧穿結中的開路電壓的損失
  • 南大團隊成功製備單胞層二維材料 成果登上《Nature》期刊
    不同晶向亞原子分辨結構表徵；（h）氧化物鈣鈦礦二維材料中的豐富強關聯二維量子態展望。被採訪者供圖　攝 　　中新網南京6月6日電(記者 申冉 通訊員 齊琦)6日，記者從南京大學獲悉，該校科研團隊成功製備出基於氧化物鈣鈦礦體系的新型單胞層二維材料，該成果以《單層氧化物鈣鈦礦二維晶體膜的實現》為題發表在了國際頂級期刊《Nature》上。