香港科技大学物理系王宁教授研究团队近期二维材料亮点工作介绍

二维材料因其独特的层间范德瓦尔斯作用力和原子层精度的堆叠可控性成为当下最热门的凝聚态物理研究前沿之一。通过控制层间旋转角度，从而调节晶体对称性（例如摩尔周期波长和局域层间原子排列）的“转角电子学”催生了众多的新奇光电物性，包括超导、莫特绝缘态、非线性电荷输运、铁电铁磁等强关联现象。不同于单质金属的石墨烯，多元的过渡金属硫族化合物（TMDC）提供了从金属到半导体的可调带隙、自旋-轨道强耦合、对称性依赖的能谷和丰富的层间堆叠结构等自由度。作为世界领先的二维材料研究团队之一，香港科技大学物理系王宁教授课题组近期通过先进显微技术与微纳器件测量相结合的方法，从构效关系角度切入，在TMDC材料体系中取得了一系列原创突破性成果，下面让我们来了解一下吧。

1、层数依赖的转角摩尔界面重构与应力调控-Nanoscale 2021, 13, 13624-13630, https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d1nr04264e/

传统的简单摩尔能带模型通过引入刚性连续体假设大大简化了分析复杂度，但却忽视了柔性二维材料的晶体界面弛豫或原子重构对晶格应力分布、能带结构和表观光电物性的巨大影响，因此其合理应用范围仅限于相对较大转角的摩尔体系。当层间转角小于特定临界角度（TMDC体系一般为4度左右），局域层间原子堆垛的相互作用力和层内弹性形变的竞争关系将随着摩尔周期波长增大而急剧显现，表现为丰富的超晶格结构和局域化应力花样。然而，当下小角度摩尔能带理论的发展仍然受限于没有清晰的层间界面重构和相关联应力分布的实空间结构模型，因此课题组以六方相（2H）二硒化钨为模板材料，结合低加速电压的球差校正扫描透射电子显微学（STEM）和低温场效应晶体管电输运等技术，深入解构了小转角摩尔体系里奇偶层数依赖的界面重构演变和局域应变效应。

图一：转角样品制备和定量电子衍射分析。©2021 Royal Society of Chemistry

图二：层数和角度依赖的界面重构演化。©2021 Royal Society of Chemistry

图三：几何相位应力分析。©2021 Royal Society of Chemistry

图四：场效应晶体管电输运验证界面重构应力网络效应。©2021 Royal Society of Chemistry

图一展示了“tear-and-stack”干法制备层间旋转角度可控的1L/1L WSe2、以及典型的高角环形暗场STEM图像和对应的选区电子衍射花样。布拉格衍射点周围的高阶卫星斑点佐证了层间界面重构和强层间耦合效应的出现。统计分析特定卫星斑点与所属布拉格衍射点的强度比证实了4度以下随转角减小而指数级增强的界面重构效应，同时2L/2L WSe2由于构成层数增加、层间弛豫抑制力增大，角度依赖程度（卫星斑点出现临界角度和归一化强度/角度变化率）也相应有所提高。相较于倒空间电子衍射的广范围均一化分析，图二从实空间直接探测的方法、系统性地展示了转角摩尔的界面演化规律。随着层间转角逐渐减小，从优势堆叠畴域扩张获得的系统能量降低足以克服界面重构需要的原子位移阻力做功，1L/1L WSe2与2L/2L WSe2呈现出截然不同的界面重构图案（分别为镜面对称三角和近似笼目结构的周期重复畴域花样）和局域化的原子堆垛结构。需要注意的是，两者虽然遵循相同的摩尔周期波长规律，但层间堆垛的高度局域化打破了传统的摩尔结构、层内弹性形变使层内剪切应力累积到了3-4纳米的畴界内，从而显示出奇偶层数依赖的不同应力网络分布（如图三所示）。这种空间限域的应力网络使得摩尔平带分裂成多个窄带宽的迷你平带，体现为随载流子浓度增加而不断涌现的导电态。而在大转角样品中，简单的连续刚体模型仍然有效，只有单一的摩尔平带出现（如图四所示）。

2、原子层厚TMDC半导体与金属电极的电界面工程-Nature Communications 2022, 13, 1777, https://www.nature.com/articles/s41467-022-29449-4

尽管堆叠结构和能带性质高度可调的TMDC二维材料，尤其是转角摩尔系统，极大地丰富了低维凝聚态物理相图，探测这些奇妙量子物性对原子层厚TMDC半导体与金属电极之间的电界面提出了极高的要求，特别是对于在极低温下的电输运研究。如图一所示，原子层厚TMDC半导体与金属电极之间的电界面往往容易存在来自范德瓦尔斯弱成键的隧穿结和源于杂质能级钉扎金属费米面的肖特基结，极大地阻碍了界面电荷传输，进而形成巨大的接触电阻和降低晶体管内的载流子迁移率。有鉴于此，课题组首次提出了基于软着陆氧等离子处理的高质量电接触方法，通过高度可控的局域成键改造（LBD）有效提高了原子层厚TMDC与金属电极的电荷传输效率。

图一：原子层厚TMDC与金属电极间不同电界面的能带示意图。©2022 Springer Nature

图二：LBD可控性的技术实现示意图。©2022 Springer Nature

图三：原子层厚MoS2边接触型电界面的结构验证。©2022 Springer Nature

图四：原子层厚MoS2边接触型电界面的电学表现。©2022 Springer Nature

图五：原子层厚WSe2面接触型电界面的结构验证和电学表现。©2022 Springer Nature

如图二所示，这种基于LBD界面优化的电接触工程是高度可控的。通过选择不同的参考窗口，反应离子刻蚀技术可以精确地暴露TMDC的边缘或是表面、从而实现选择性的LBD生成和不同的电接触类型。在图三和图四中，我们用三层MoS2示范了LBD优化的边接触型电界面。纳米限域的LBD使MoS2边缘变成了半金属四方相，其态密度分散于六方体相带边，从而平稳链接了半导体体相和金属电极，有效避免了隧穿结和肖特基结的产生。全温域的欧姆性质和超低接触电阻（90Ωμm）充分说明了这个技术的有效性。同时，使用聚焦离子束技术从电输运样品电极处制备的截面薄膜在原子尺度表征了电界面LBD结构的产生。

这种LBD界面改性具有很好的材料和电接触几何结构普适性。在图五，我们用五层WSe2验证了LBD优化的面接触型电界面。自限域的LBD结构只出现在与金属电极接触的表面单层，呈现出四方和畸变四方相的混合结构。通过LBD构建的WSe2-金属电极电界面，我们实现了全温域的欧姆性质、超低的接触电阻（0.7kΩμm）、超高的载流子迁移率（358000cm^2/Vs）和极低磁场下的量子震荡。

总结：结合深入的原子结构理解和领先的微纳器件工艺积累，课题组不仅深入解构了小转角摩尔体系里奇偶层数依赖的界面重构演变和局域应变效应，而且首次提出了原子层厚TMDC通用的基于软着陆氧等离子处理的高质量电接触方法。课题组持续对TMDC材料体系中的奇异凝聚态物性进行探索，近期在转角摩尔超晶格的非线性霍尔效应和非典型铁电现象上都有突破性进展，敬请期待。

作者介绍：

香港科技大学物理系讲席教授兼量子材料中心主任，王宁教授曾荣获吴健雄物理奖、国家自然科学奖和全球华人物理与天文学会颁发的亚洲杰出成就奖等，在Nature、Science、PRL等各类国际学术刊物上发表论文280余篇，累计超过23000引用，h-index = 79。作为首席科学家，王宁教授于2020年底获得国家科技部量子调控与量子信息重大研发专项资助，聚焦“转角石墨烯及其他摩尔超晶格材料的奇异物性研究”，是科技部在香港地区二维材料领域的唯一重大项目。课题组具有国际领先的器件制备实验室、材料表征平台、长年高质量器件制备/测量的工艺积累和国际一流的超低温高磁场电输运/量子电容测量系统。本组长期与欧美著名实验室有密切人员交流及合作，近年来不断在国际顶级刊物发表开创性成果。课题组诚邀具有良好物理背景的学生及科研工作者加入，研究方向包括二维量子材料（包括二维半导体、超导体、磁性材料等）的高质量器件制备、超低温高磁场下的量子电输运/量子电容行为等，特别是转角二维摩尔超晶格、非线性霍尔效应、自旋-能谷关联的奇异物性研究。欢迎查看课题组主页（https://phwang.ust.hk/）及邮箱联系加入事宜（phwang@ust.hk）。