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超晶格結(jié)構(gòu)一般是由不同的母體材料按照一定的周期排列形成一種不同于母體材料的新物質(zhì)，該新結(jié)構(gòu)的物質(zhì)有望表現(xiàn)出母體所不具有的新奇物性，如鐵磁、鐵電和超導(dǎo)等，在電子、光電子和新型信息器件領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的超晶格結(jié)構(gòu)主要是由相同維度物質(zhì)按照一定的排列組合方式形成，如3D-3D、2D-2D以及1D-1D結(jié)構(gòu)等。同時(shí)這些傳統(tǒng)的超晶格結(jié)構(gòu)主要是使用分子束外延方法制得。
二維（2D）材料的發(fā)現(xiàn)為構(gòu)筑新型超晶格結(jié)構(gòu)提供了新的可能。結(jié)構(gòu)構(gòu)筑是指將不同的2D材料和其他結(jié)構(gòu)的材料通過人工構(gòu)筑或者化學(xué)氣相沉積方法構(gòu)筑出插層或不同維度的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，縱觀超晶格結(jié)構(gòu)從1970年提出及制備至今，由不同維度物質(zhì)組成的本征超晶格結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)尤其困難。針對(duì)這一難題，周家東教授等首次提出并實(shí)現(xiàn)了一種全新的異維超晶格結(jié)構(gòu)，該異維超結(jié)構(gòu)由2D VS2和1D VS相互交叉排列，形成全新的2D - 1D的本征異維超結(jié)構(gòu)形式?；谠撐镔|(zhì)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，超結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出室溫面內(nèi)大反?；魻栃?yīng)。這一新的發(fā)現(xiàn)開啟了構(gòu)筑新物質(zhì)、發(fā)現(xiàn)新物性的全新方向。
圖1：VS2-VS異維超結(jié)構(gòu)的制備與光學(xué)等表征結(jié)果
有別于傳統(tǒng)超晶格結(jié)構(gòu)的制備，該新型異維超結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)具有里程碑意義： 1）制備方法突破：傳統(tǒng)的超結(jié)構(gòu)的制備多使用分子束外延方法；以2D材料為母體材料的超結(jié)構(gòu)的制備多為人工構(gòu)筑，這導(dǎo)致材料界面干凈整潔度等較難控制，無法觀察到物質(zhì)的本征特性，該超結(jié)構(gòu)的一步法VLS生長(zhǎng)機(jī)制為構(gòu)筑新物質(zhì)提供了方向。 2）材料認(rèn)知突破：由2D材料和1D線周期性相互交疊形成穩(wěn)定的異維超結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的厚度可以調(diào)整，從幾十納米到幾納米都可以實(shí)現(xiàn)。突破傳統(tǒng)超結(jié)構(gòu)物質(zhì)只能形成有相同維度物質(zhì)或者不同物質(zhì)的簡(jiǎn)單插層，推動(dòng)了物質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展。
圖2：異維VS2-VS超晶體的原子結(jié)構(gòu)
3）新奇物性突破：由于1D VS的存在，并與2D VS2相互耦合，使得2D-1D異維超結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出完全不同于VS2、V5S8等物質(zhì)的室溫面內(nèi)大反常霍爾效應(yīng)。推動(dòng)了不同維度物質(zhì)之間的耦合，為實(shí)現(xiàn)新奇物性如室溫鐵磁半導(dǎo)體特性、高溫量子反?；魻栃?yīng)等提供可能。
圖3：VS2-VS異維超結(jié)構(gòu)的面內(nèi)反常霍爾效應(yīng)
注：該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然基金委面上項(xiàng)目、國(guó)家青年人才計(jì)劃、國(guó)家自然基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、北京理工大學(xué)創(chuàng)新項(xiàng)目和省部級(jí)量子實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。
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