原子级厚度的2D层状材料的出现为在单个或几个原子层的极限下探索低维物理，以及创建具有空前性能或独特功能的功能器件开辟了新途径。除了孤立的2D原子层之外，不同的2D材料（例如石墨烯，六方氮化硼和过渡金属二硫化物）的混合和匹配在超出晶格匹配要求的限制下，为创建2D范德华异质结和范德华超晶格提供了极大的灵活性。这些异质结和超晶格具有可设计的结构和电子特性，并能够实现超出现有材料范围的功能，为工程人造材料提供了一种范例。

然而，截至目前，2D范德华异质结和范德华超晶格主要是通过机械剥离和艰苦的逐层重堆积过程获得的。通常这种方法应用于从各种层状晶体中创建各种异质结，但通常具有有限的产量和可重复性，并且对于高阶超晶格而言，其挑战性呈指数增长。

化学气相沉积（CVD）方法可直接合成2D范德华异质结构，但也限在仅具有两个或几个不同嵌段的低阶结构。使用连续的范德华外延生长来产生高阶范德华超晶格需要在不同的化学和热环境之间反复切换，这通常导致原子薄晶体结构的严重退化。

虽然这种挑战可能通过精心合成设计部分缓解2D侧超晶格的增长，但使用类似的策略生长高阶2D范德华超晶格是更具挑战性，而且至今尚未实现。尽管人们付出了巨大的努力并且成功地构建了多种范德华异质结构，但高阶稳定范德华超晶格的制造仍然是一个挑战。

有鉴于此，湖南大学段曦东和加州大学洛杉矶分校段镶锋等人报道了一种通过卷绕范德华异质结来实现高阶德华超晶格的简单方法。研究结果表明，毛细作用力驱动的卷绕过程可用于从生长基底上剥离合成SnS₂/WSe₂范德华异质结，并产生WSe₂和SnS₂单层交替的SnS₂/WSe₂卷，从而形成高阶SnS₂/ WSe₂范德华超晶格。这些超晶格的形成调节了电子能带结构和维度，从而实现了从半导体到金属传输特性的转变，从二维到一维以及与角度相关线性磁阻的转变。

该方法可扩展并创建各种2D/2D范德华超晶格，更复杂的2D/2D/2D范德华超晶格以及其他2D材料，包括3D薄膜材料和1D纳米线，以生成混合维度范德华超晶格，例如3D/2D，3D/2D/2D，1D/2D和1D/3D/2D范德华超晶格。这项研究证明了制造广泛变化的材料成分、维度、手性和拓扑结构的高阶范德华超晶格的通用方法，并为基础研究和技术应用提供了丰富的材料平台。相关结果以“High-order superlattices by rolling up van der Waals heterostructures”为题发表在Nature期刊上。

图1 卷绕范德华异质结的制备过程示意图

图2 SnS₂/WSe₂卷和高阶超晶格的结构表征

图3 SnS₂/WSe₂卷绕范德华超晶格的电和磁传输性质

图4 多维卷绕的范德华超晶格

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

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