斯坦福大学崔屹Nat Rev Mater：二维材料的静电门控和插层研究进展

【导读】

 长期以来，寻求符合设计的材料的想法不断促使科学家们对材料进行调控以获得所需的功能。几个世纪以来，已经开发了多种控制和调制工具来调整材料特性，例如通过掺杂、相位控制、缺陷和应变。在过去的几十年中，为了设计其电学、光学和结构特性而将电子、空穴或离子按需引入主体材料已被广泛用于实现半导体技术的革命性进步，从而产生了客体（原子、离子、分子）修饰的概念。通过客体调控或掺杂以获得所需的材料性能一直是材料科学的研究前沿。然而，许多材料中紧密堆积的晶格结构限制了该策略的适用性。二维层状材料的出现引起了人们对利用这种方法的兴趣，通过两种重要的策略，门控和插层，在不破坏化学键的情况下实现宿主材料性能的可逆调制。此外，这些动态可调的技术使新型杂化材料的合成成为可能。

【成果掠影】

近日，斯坦福大学崔屹和Harold Y. Hwang回顾了客体物质和主体二维材料之间的相互作用如何调整材料的物理和化学，并讨论它们在创造传统方法无法企及的人造材料和结构方面的巨大潜力。相关成果以“Electrostatic gating and intercalation in 2D materials”发表在Nature Reviews Materials上。

【核心创新点】

系统总结了客体物质和主体二维材料之间的相互作用，为未来人造材料的制造指明一条新道路。

【数据概况】

图 1 二维材料和客体之间的相互作用

a,二维材料和客体。 b,二维材料的客体替代掺杂。 c,二维材料的客种门控。 d,二维材料的客体插层。

图2 客种门控方法

a-c,传统的电介质氧化物栅极（a部分）、离子液体栅极（b部分）和固态离子栅极（c部分）。 a部分的箭头表示电介质极化方向。蓝色和红色球体代表带正电和带负电的客体。 d,面积电容和可以施加的栅极电压的相应绝对值。固态电介质的电容值通过平行板电容器模型计算：C_g=(ε₀×ε_d)/d_d，其中ε₀是自由空间的相对介电常数，ε_d是电介质的面外介电常数， d_d是电介质的厚度。离子门的电容值是从文献中获得的。固态电解质用红点表示，而液体或凝胶电解质用蓝点表示。面积电容和栅极电压的乘积表示表面掺杂浓度（虚线）。对应于导致金属和绝缘行为的载流子密度的绘图区域分别用蓝色和红色阴影表示。 DEME-TFSI，二乙基甲基（2-甲氧基乙基）铵双（三氟甲基磺酰基）亚胺； hBN，六方氮化硼； LiClO₄，高氯酸锂；PEO，聚（环氧乙烷）。

图3 二维材料中的门控调制和相位图

a，离子门控双层MoS₂器件的超导相图，如箭头所示，显示一个单侧栅极和两个双侧栅极。单面器件的超导起始点接近载流子密度n_2D =0.6×1014 cm^-2，双面器件的载流子密度为1.8×1014 cm^-2。T_c0定义为电阻达到正常电阻50%时的转变温度。伊辛保护意味着具有强伊辛型自旋轨道耦合的耦合超导状态。b，1T-TiSe₂ 在电子掺杂下通过离子门控的相图，显示了对电荷密度波 (CDW) 转变温度 (TCDW) 和超导转变温度 (TK-T，Kosterlitz-Thouless 型) 的控制转变温度。 c，随着栅极电压和温度的变化，三层 Fe₃GeTe₂ 样品的相图。d，Cr₂Ge₂Te₆的单轴磁各向异性场作为不同栅极偏置值的温度函数原始Cr₂Ge₂Te₆的易磁轴位于面外方向（H_u < 0），而面内自旋方向为在门控Cr₂Ge₂Te₆(H_u>0) 中更稳定。 e，拉曼强度显示了MoTe₂的1Tʹ和2H相之间的门控结构转变。强度比F=1Tʹ(Ag)/[1Tʹ(Ag)+2H(A1ʹ)]代表样品中1Tʹ相的比例，其中Ag和A1ʹ分别代表1Tʹ相MoTe2的Ag拉曼模式和2H的A1ʹ拉曼模式MoTe₂相。黑色和红色曲线分别显示增加和减少的栅极电压。拉曼强度比与栅极电压的滞后表明 MoTe₂在 2H和1Tʹ相之间的栅极控制结构转变。 f，单层WS₂（Δn和Δk）折射率的实部和虚部随栅极诱导载流子密度的变化。该示意图显示了顶部带有离子液体的复合 SiN-WS₂波导。

图4. (去)插层的效果和进展

a-b,电荷转移过程引起的掺杂效应的示意图（a部分）和能带图（b部分）。c,插层剂和主体二维材料之间的化学键合形成。d,氧脱嵌过程将具有钙钛矿结构的Nd_0.8Sr_0.2NiO₃薄膜转变为具有无限层结构的Nd_0.8Sr_0.2NiO₃薄膜。e,钽插层Ta₇S₁₂的顶视图（顶部）和侧视图（底部）自旋密度等值面，表明插层钽原子表现出净自旋密度。 f,电化学插层黑磷以获得单层原子晶体分子超晶格的平台。可以使用拉曼光谱原位监测嵌入过程。g,光学显微镜图像展示了SnS₂、Cu-SnS₂和 Co-SnS₂在单片纳米片中的无缝集成，晶体的颜色很大程度上取决于插层剂的种类。 CTAB：十六烷基三甲基溴化铵。

【成果启示】

总言之本文重点研究了应用于二维层状硫族化合物和氧化物的客源物质调控。首先介绍两种主要的技术，可用于客源物质调谐，静电门控和插层。简要讨论了各种工艺的机理和实验设计。然后，介绍了客体物质调控所带来的令人振奋的进展，包括面向应用的工作和新现象的发现。最后，展望了在二维层状硫族化合物和氧化物中进行离子调谐的巨大可能性，以及将这种方法推广到其他材料家族的前景。

参考文献：Wu, Y., Li, D., Wu, CL. et al. Electrostatic gating and intercalation in 2D materials. Nat Rev Mater (2022).

https://doi.org/10.1038/s41578-022-00473-6