北京
“扭转电子学领域此前一直依靠弱范德华力连接的二维材料，”北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授徐瑞娟说，“我们这项工作表明，可以用强化学键连接的氧化物材料层，并精确控制晶态薄膜之间的扭转角度。”徐瑞娟是相关论文的通讯作者，她所说的，是一种在原子尺度上操纵材料的新方法。通过精心选择两层晶体之间的旋转角度，科学家的确可以改变整个材料的电子行为，而这一次，他们把这个想法拓展到了大面积的氧化晶体薄膜上。
扭转电子学背后的原理既简单又强大：当两片薄晶层相互旋转时，它们的原子图案不再完全对齐。由此产生的错位会改变电子在材料中的运动方式，甚至可能催生出单层材料根本没有的物理行为。长久以来，这类研究几乎都聚焦在石墨烯、过渡金属硫族化合物等二维材料上，这些材料的层间由微弱的范德华力维系，使得堆叠、旋转都很方便。氧化物晶体则是另一回事——层间倾向于形成强得多的化学键，过去很难做到转好角度之后还让它们紧密结合。
徐瑞娟团队选择了一种叫钠酸铌的复杂氧化物作为模型材料，先把大片的晶态薄膜制作出来，再借助光刻工艺在每一层薄膜周围布下可见的标记。下一步很考验手感：将上层薄膜揭起，转移到下层薄膜上，透过观察标记的相对位置，旋转上层直到目标角度。最后，经过针对钠酸铌优化的退火加热步骤，层与层之间形成牢固的化学键，而且整个过程中已经调好的角度不会被破坏掉。
“我们在氧化层之间观察到的强层间键合，意味着可能有全新的界面现象等我们去探索，”徐瑞娟补充说，“我们已经展示了可以通过这种方式控制材料的很多特性——包括相结构和畴构型——这就为面向特定应用来设计材料与器件提供了新途径。”她还强调，尺寸对器件很关键。因为这些晶态薄膜可以制成大面积结构，未来走向实用器件时更占优势。
过去，扭转电子学的许多精彩物理只能在微米级样品中观测，而这一次，氧化物方法在大面积样品上仍然保持了扭转角度的精确控制，同时形成了强化学键。虽然距离商用电子器件还有不短的路，但这项研究让“可设计”的电子材料离实用化又近了一步。
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