原子級厚度的2D層狀材料的出現為在單個或幾個原子層的極限下探索低維物理，以及創建具有空前性能或獨特功能的功能器件開辟了新途徑。除了孤立的2D原子層之外，不同的2D材料（例如石墨烯，六方氮化硼和過渡金屬二硫化物）的混合和匹配在超出晶格匹配要求的限制下，為創建2D范德華異質結和范德華超晶格提供了極大的靈活性。這些異質結和超晶格具有可設計的結構和電子特性，并能夠實現超出現有材料范圍的功能，為工程人造材料提供了一種范例。然而，截至目前，2D范德華異質結和范德華超晶格主要是通過機械剝離和艱苦的逐層重堆積過程獲得的。通常這種方法應用于從各種層狀晶體中創建各種異質結，但通常具有有限的產量和可重復性，并且對于高階超晶格而言，其挑戰性呈指數增長。化學氣相沉積（CVD）方法可直接合成2D范德華異質結構，但也限在僅具有兩個或幾個不同嵌段的低階結構。使用連續的范德華外延生長來產生高階范德華超晶格需要在不同的化學和熱環境之間反復切換，這通常導致原子薄晶體結構的嚴重退化。雖然這種挑戰可能通過精心合成設計部分緩解2D側超晶格的增長，但使用類似的策略生長高階2D范德華超晶格是更具挑戰性，而且至今尚未實現。盡管人們付出了巨大的努力并且成功地構建了多種范德華異質結構，但高階穩定范德華超晶格的制造仍然是一個挑戰。有鑒于此，湖南大學段曦東和加州大學洛杉磯分校段鑲鋒等人報道了一種通過卷繞范德華異質結來實現高階德華超晶格的簡單方法。研究結果表明，毛細作用力驅動的卷繞過程可用于從生長基底上剝離合成SnS2/WSe2范德華異質結，并產生WSe2和SnS2單層交替的SnS2/WSe2卷，從而形成高階SnS2/ WSe2范德華超晶格。這些超晶格的形成調節了電子能帶結構和維度，從而實現了從半導體到金屬傳輸特性的轉變，從二維到一維以及與角度相關線性磁阻的轉變。該方法可擴展并創建各種2D/2D范德華超晶格，更復雜的2D/2D/2D范德華超晶格以及其他2D材料，包括3D薄膜材料和1D納米線，以生成混合維度范德華超晶格，例如3D/2D，3D/2D/2D，1D/2D和1D/3D/2D范德華超晶格。這項研究證明了制造廣泛變化的材料成分、維度、手性和拓撲結構的高階范德華超晶格的通用方法，并為基礎研究和技術應用提供了豐富的材料平臺。相關結果以“High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures”為題發表在Nature期刊上。
圖1 卷繞范德華異質結的制備過程示意圖
圖2 SnS2/WSe2卷和高階超晶格的結構表征
圖3 SnS2/WSe2卷繞范德華超晶格的電和磁傳輸性質
圖4 多維卷繞的范德華超晶格Zhao, B., Wan, Z., Liu, Y. et al. High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures. Nature 591, 385–390 (2021).?https://doi.org/10.1038/s41586-021-03338-0
