金模板辅助剥离法制备大面积二维材料及其莫尔超晶格的高效精准构筑 | 进展

莫尔超晶格是由两个或多个单层/少层二维材料以一定的层间转角堆叠在一起形成的一类新颖的关联电子材料体系。莫尔超晶格体系具有强的电子关联和能带拓扑特性，展现出一系列的衍生现象，包括非常规超导、莫尔激子、滑移铁电、分数量子反常霍尔效应等。然而由于传统机械剥离方法获得的单层/少层二维材料的尺寸小、产率低，增加了构筑摩尔超晶格中的角度对准的难度；另外构筑高质量莫尔超晶格需要避免湿法转移过程，使得近年来发展的金膜辅助的机械剥离方法较难适用于莫尔超晶格的构筑。为了实现莫尔超晶格的高效精准构筑，亟需开发一种通用、高效且与干法转移堆叠技术兼容的大面积、高质量的二维原子晶体的机械剥离方法。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究员领导的团队致力于新型二维原子晶体材料的制备、物性调控及原型器件等方面的研究。例如，利用氧气等离子体辅助的解理方法成功获得了毫米量级的单层石墨烯和高温超导材料Bi2212（Acs Nano 2015, 9, 10612），发展了普适性的金膜辅助的二维材料机械剥离方法（Nat. Commun. 2020, 11, 2453）；成功构筑了高迁移率、高开关比场效应晶体管（Nano Res. 13, 1127 (2020)），高光响应度和高探测率光电探测器（Nano Lett. 20, 6666 (2020)），超快非易失浮栅存储器（Nat. Nanotechnol. 16, 882 (2021)），超快可编程二维同质结（Adv. Mater. 35, 2301067 (2023)），基于全二维材料的超快浮栅非易失存储器 (Adv. Mater. 2311652 (2024)）。

图1. 金模板辅助机械剥离方法用于制备大面积单层/少层二维原子晶体

近期，该研究团队的博士生吴康和鲍丽宏副研究员等发展了一种普适性的金模板辅助的机械剥离方法，高效制备了高质量、大面积单层/少层半导体、超导、磁性二维原子晶体材料（图1）。层数依赖的Raman和荧光光谱表征充分表明所获得的单层/少层过渡金属硫族化合物（TMD）具有较高质量（图2）。他们制备了一系列hBN封装的高质量单层/少层空气敏感的二维材料的电子器件，包括BP场效应晶体管和NbSe2的霍尔器件，并系统研究了它们层厚依赖的电学性质（图3），证明了金模板辅助机械剥离方法不仅和干法转移堆叠技术兼容，也能普适地研究各种薄至单层的二维材料的层厚依赖的本征电学以及光学性质（图2和图3）。

图2. 金模板辅助机械剥离方法获得的单层/少层TMD的拉曼和荧光光谱

图3.少层BP和NbSe2的层数依赖的电学输运特性

他们通过干法转移堆叠技术拾取金模板衬底上位于裸露的矩形SiO 2 （30μm × 40μm）阵列上相邻的单层/少层二维晶体，构筑了转角双层TMD同质结和转角多层TMD同质结，角度对准精度达~0.3°。通过对准和矩形SiO 2 上的单层TMD临近的晶体的长直台阶（和晶体的特殊晶向对应），构筑了H-stacking（~60°层间转角）和R-stacking（~0°层间转角）的转角TMD异质结，角度对准精度<1°。莫尔条纹成像、层间激子荧光光谱、二次谐波产生（SHG）等一系列系统表征充分证明了高质量莫尔超晶格的精准构筑（图4）。该工作展示了金膜板辅助的机械剥离方法在高效精准构筑以转角过渡金属硫族化物（TMD）同质结和异质结为代表的莫尔超晶格上的显著优势，为高效精准构筑莫尔超晶格提供了新的材料制备方法，对于深入探索莫尔超晶格中的新奇物态具有重要意义。

图4. 转角同质结、异质结和多层结的原子力显微镜、SHG、层间激子的表征

该成果以“Gold-Template-Assisted Mechanical Exfoliation of Large-Area 2D Layers Enables Efficient and Precise Construction of Moiré Superlattices”为题，于2024年4月10日在线发表在Advanced Materials杂志上。博士生吴康为第一作者，鲍丽宏副研究员和杨海涛研究员为共同通讯作者。中国科学院物理研究所郭建刚、石友国研究员提供了部分单晶样品，吴克辉研究员和冯宝杰特聘研究员参与了莫尔超晶格成像方面的工作，程智刚特聘研究员参与了NbSe 2 输运性质的表征工作，美国Vanderbilt大学的S.T. Pantelides教授参与了该工作的讨论。该工作得到了国家自然科学基金、科技部、中国科学院和北京自然科学基金的支持。

编辑：Meyare

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