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武汉大学付磊Matter综述：二维莫尔超晶格——青取于蓝而胜于蓝

2020-08-19 19:20

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学来自专辑Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

自2004年石墨烯被提出以来，二维材料种类不断增多，应用范围不断扩大。探索更本征的物理特性和获得更新奇的性质及更优异的性能是人们一直关注的热点。借助周期性的莫尔图案，莫尔超晶格会引起结构和能带改变，从而导致一些新现象，包括莫尔声子、莫尔激子、拓扑相变、非常规超导、莫特绝缘等。

近日，武汉大学付磊教授课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上发表综述文章，系统介绍了莫尔超晶格的起源与调制，以及二维材料中发现的一系列新特性，并提出了展望。

本文从莫尔超晶格的起源出发，介绍了少层石墨烯、石墨烯/六方氮化硼（h-BN）异质结构、过渡金属二硫属化合物（TMD）、TMD异质结构等具有莫尔超晶格的材料的新特性，然后介绍了如何形成莫尔条纹以及如何调控扭转角度，最后总结了莫尔超晶格的重要性，并提出了该领域存在的若干挑战。

▲图1 .莫尔超晶格可以诱导动量空间失配，产生新的布里渊区，从而影响其性质

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当原子级薄的晶体组装时，层间的晶格失配和旋转会导致不同的莫尔超晶格。莫尔超晶格中的倒易空间会直接影响动量空间，层间相互作用可以改变声子模式和电荷分布，从而调节其能带结构、自旋态或拓扑相等。对于同质结构来说，转动到不同的角度，莫尔超晶格的周期性会发生相应变化，其电子结构和能带结构也会发生改变。对于异质结构来说，除了扭转角度，层间的晶格失配度也会影响其结构和性质。

1.新奇的性质

石墨烯及其异质结构

石墨烯是研究新兴电子和光电性质的良好平台，调节层间的旋转角度会带来一些新的性质。当转动角度比较小（＜5°）时，层间耦合作用比较强，狄拉克能带结构对于角度比较敏感。尤其当旋转角度接近魔角时，电子运动变慢，可以近似看成定域在超晶格中，费米能级附近的莫尔带可看成平带，非常规超导、独特的磁输运性质等被观察到。当转动角度大于5°时，层间耦合导致能带杂化远离狄拉克点，从而有一些新颖的性质。例如，利用范霍夫奇点的电子共振来增强光与物质相互作用；30°旋转的石墨烯构成了十二边形石墨烯准晶体，是研究准晶体各种异常物理性质的重要平台。此外，石墨烯和氮化硼的异质结构也受到了广泛关注，通过构筑石墨烯和氮化硼之间的超晶格可以进一步调控石墨烯的能带结构和电子特性。

▲图2 双层扭曲石墨烯的电子结构和非常规超导

TMD及其异质结构

对于TMD及其异质结而言，本文从声子模式、能带结构、层内及层间激子和拓扑行为等方面介绍了莫尔超晶格对TMD及其异质结性质的调制作用。莫尔超晶格的引入产生新的声子模式，即莫尔声子。可以通过拉曼光谱和理论模拟进一步研究莫尔声子与层间扭角的相关关系，对于深入探索复杂莫尔超晶格体系的声子模式有着推动作用。而由于层间的相互作用，TMD莫尔超晶格的能带结构也与单层TMD时不同。例如，对于扭转双层MoS2而言，不同的堆垛角度将产生不同的能带结构及带隙；对于TMD异质结，莫尔超晶格中不同区域堆垛情形也将造成莫尔条纹相关的带隙分布，导带底和价带顶的位置也有类似的周期性分布。能带结构的改变，也为TMD及其异质结带来新的光学性质，特别是莫尔激子的产生，这对于量子发射阵列、能谷器件具有重要的意义，对于研究超快层间动力学的深入理解也具有启发性。莫尔超晶格诱导的能带结构的变化也导致了TMD及其异质结拓扑性质方面的变化，例如，相关于莫尔条纹的拓扑绝缘和普通绝缘周期性分布，这说明通过莫尔超晶格产生可设计、电学调制切换的拓扑周期性结构是可期的。

▲图3 扭曲双层MoS2和MoS2/WSe2异质结的能带结

其他

除了石墨烯、TMD及相关异质结外，还有许多其他莫尔超晶格结构展现出诸如超导、磁性等独特的物理性质。基于基底有序结构和二维材料组成结构也可视为莫尔超晶格，基底与二维材料间的相互作用也可以使二维材料表现出特殊的电子态等现象。

2.制备方法

一般来说，构筑莫尔超晶格有两类方法，物理方法和化学方法。物理方法通常是将剥落的薄片转移到特定的基底上，将基底旋转到一定角度后将另一薄片放上；还可以利用原子力显微镜（AFM）的针尖将上层旋转到不同的角度。化学方法主要是依赖于不同晶体和基底间的取向不同，此外，范德华异质结和阵列的合成也可以产生具有广泛可调的莫尔超晶格的理想界面。

3.总结与展望

总而言之，莫尔超晶格为开发二维材料新性质提供了新的思路，其优秀的可控性和精确性对于研究二维材料及其异质结的性质变化都是不可或缺的。然而，目前莫尔超晶格的研究对象大多局限于石墨烯、h-BN、TMD及相关异质结，在研究对象的扩展以及新物理模型的建立方面仍面临挑战。首先，莫尔超晶格对二维材料性质调制作用与二维材料层数间的关系仍需要深入研究，特别是关于层数大于两层的二维材料及异质结。其次，对于莫尔超晶格连续调节的方法及物理性质的连续变化仍需深入探索，特别是关于二维材料在魔角情形下性质的突变过程和原因。除此之外，莫尔条纹相关的电学、光学、磁学等物理性质也是非常具有研究前景的方向之一。

莫尔超晶格的引入无疑面临许多困难和挑战，但不可否认的是，这种新策略将有潜力用于量子计算、量子通讯、新型超导体等领域。其长周期结构对于研究基于二维材料的光电器件阵列、电磁传感阵列、纳米发电机及其他声学器件也具有重要意义。通过莫尔超晶格的引入，二维材料将被赋予更大的发展机遇和联想空间，将在新性质探索、新模型建立方面具有更多可能性。

论文作者介绍

付磊

教授

付磊，武汉大学教授，教育部青年“长江学者”，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者。2001年武汉大学本科毕业，2006年在中科院化学研究所获理学博士学位。之后加入美国洛斯阿拉莫斯国家实验室，2008年～2011年任北京大学副研究员，2012年加入武汉大学。研究兴趣包括二维原子晶体的精准合成，及其在能源、信息领域的应用。近5年在Nature Mater.， Nature Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Acc. Chem. Res.，Chem. Rev.，Chem上发表论文20篇。翻译国内首部石墨烯学术专著（《石墨烯：基础及新兴应用》，科学出版社）。获中国科学院院长特别奖、中国科学院优秀博士学位论文奖、中国化学会青年化学奖、中国新锐科技人物、武汉市优秀青年科技工作者称号。