纳米人

第一单位！湖南大学再发Nature！段镶峰/段曦东连续合作2篇Nature和1篇Science

纳米技术

2021-04-16

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第一作者：Bei Zhao, Zhong Wan

通讯作者：段曦东，段镶峰

通讯作者单位：湖南大学，加州大学洛杉矶分校

二维材料异质结能够突破传统的晶格不匹配在构建异质结中的障碍，实现通过层-层堆叠、次序合成构建原子层尺度异质结。但是目前得到的异质结构大多非常简单，搭建结构更加复杂的高阶异质结构仍具有非常高的挑战，这是因为搭建高阶结构过程面临着结构单元损坏等问题。

有鉴于此，湖南大学段曦东、加州大学洛杉矶分校段镶峰等联手，报道了一种普适性合成卷曲结构异质结的新策略。这是一种卷曲构建高阶范德华异质(vdW)结构的简单方法，通过毛细管作用力驱动二维材料进行卷曲，将分层生长在基底表面的SnS₂/WSe₂ vdW卷曲形成高阶卷曲异质结。通过这种过程形成的超晶格结构导致电子能带结构变化，由半导体转变为金属态，表现出角依赖线性磁阻效应。该方法能够用于构建多种多样的2D/2D vdW异质结构、超晶格结构，展示了一种普适性构建高阶vdW的方案，实现组成、维度、手性、拓扑等性质的丰富化。

卷曲结构

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图1. 合成卷曲结构

首先通过CVD方法制备SnS₂/WSe₂ 2D异质结构，随后通过乙醇-水-氨混合溶液处理，在混合溶液处理过程中，由于毛细管力效应驱动从基底上剥离、卷曲，形成2D/2D超晶格结构。该过程无需复杂的基底转移、重新堆叠等操作。

作者通过该方法在实验中构建了多种卷曲结构，三组分SnS₂/MoS₂/WS₂，超二维Al₂O₃/WSe₂(3D/2D)、Ag/WSe₂ (1D/2D)，多维结构3D/2D/2D Al₂O₃/SnS₂/WSe₂。

表征

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图2. SnS₂/WSe₂卷曲结构电子结构

通过光学显微镜、SEM对形貌进行表征，通过STEM对高阶异质结进行表征。通过第一性原理计算（多体微扰理论）对形成超晶格结构导致电子结构变化进行研究，讨论了这种高阶晶格与正常异质结的区别，发现SnS₂/WeSe₂双层异质结表现II型能带结构，价带顶由WSe₂的K点提供，导带底由SnS₂的M点提供，表观间接能带为0.33 eV；在卷曲形成的超晶格中，WSe₂的价带顶位置增加，SnS₂的导带底降低，导致能带差值为-0.43 eV，通过这种过程，II型能带结构转变为III型，导致半导体向金属态的转变。

在形成卷曲超结构的过程中，作者认为最为显著的电子结构特征变化在于传输性质由2D变为1D，通过角分辨磁阻研究验证不同卷曲角度（θ：沿着卷曲方向的旋转角度，φ：和卷曲方向垂直的旋转角度）、不同温度条件中的磁阻变化情况，发现卷曲角度将导致磁阻呈现规律性变化，当卷曲角度θ从0°提高至90°，磁阻效应显著提高，当φ角度变化，磁阻效应未见变化。

异质结构器件

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图3. SnS₂/WSe₂卷曲结构FET器件性能

分别将vdW卷曲SnS₂/WSe₂、二维异质结SnS₂/WSe₂构建场效应晶体管，以SiO₂/Si作为基底，Cr/Au薄膜作为源电极和漏电极，考察传输特性区别。结果显示卷曲结构SnS₂/WSe₂的输运电流提高2~6个数量级，卷曲SnS₂/WSe₂材料器件的载流子浓度达到10²⁰ cm^-3，比双层异质结构提高了2~3个数量级。

普适性卷曲结构

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图4. 各种卷曲结构

作者考察了多种多样的2D/2D vdW超晶格卷曲结构，实现了构建NbSe₂/MoSe₂, MoS₂/WS₂, MoSe₂/WSe₂, SnS₂/MoS₂, Cr₅Te₈/WSe₂, SnSe₂/WSe₂, In₂Se₃/WSe₂等结构，预测可能在铁电、铁磁、超导等领域具有广泛应用前景。

考察了2D/2D/2D三重vdW超晶格卷曲结构，SnS₂/MoS₂/WS₂，这种复杂异质结高阶超晶格结构通过传统方法难以实现。考察了含有3D薄膜、1D纳米线与WSe₂构建高阶异质结，3D/2D (Al₂O₃/WSe₂), 3D/2D/2D (Al₂O₃/SnS₂/WSe₂), 1D/2D (Ag纳米线/WSe₂), 1D/3D/2D (Ag线/Al₂O₃/WSe₂) ；考察了其他复杂3D/2D/2D vdW结构（Al₂O₃/SnS₂/WSe₂）。