综述：二维材料的堆积顺序工程及其应用

研究背景

人工智能和 5G 技术的出现正在通过物联网、智能制造和人工智能医疗等新应用改变世界在这场信息革命的推动下，预计到 2025 年，全球数据使用量将达到 175 ZB，超出现有设备的承受能力。到 2030年，相关的电力消耗将飙升至全球能源需求的 20% 以上。这些方面都促使材料和设备平台的创新，以超越现有的单元和长期存在的冯-诺依曼架构。此外，二维 vdW材料因其微型化的尺寸、各种结构和电子工程自由度、原子洁净的界面，以及其卓越的电子、光学和机械特性所带来的巨大电学和应变可调性，正在成为最佳候选材料之一。

vdW 材料由具有强平面内共价键的原子薄层构成。这些原子层通过微弱的 vdW 力沿平面外微弱地结合在一起，从而可以剥离到单层，并具有原子上洁净的界面。这种弱层间vdW键还能通过控制原子层的相对晶体学排列，灵活地按需形成 dw 堆积。值得注意的是，这无需晶格匹配即可实现，而晶格匹配通常会限制传统三维块体材料的堆叠。随着各种合成方法和聚合物辅助转移技术的发展，各种 vdW 层的按需堆叠已成为可能。

对 vdW 材料中的堆积顺序及其相变的研究非常有趣，它具有多种结构控制自由度，包括层间的相对位移和取向角。这与早期侧重于层内多态相变的研究有本质区别，后者意味着原子重构(如离子畸变、共价键断裂)发生在一个原子层内。然而，涉及各种堆叠顺序的相变有着本质的不同，因为它们涉及由 vdW 力支配的层间移动和旋转，而 vdW 力要弱得多，因此比调控共价键更节能。在新异质结构的堆叠工程中整合不同化合物的无限灵活性，使我们能够探索母成分中不同量子排序的相互作用。例如，利用可控的跳跃强度和现场库仑相互作用形成摩尔超晶格，可实现以前无法实现的各种相关量子有序性。这些工程方法不仅能创造新的堆叠有序，还为开发基于堆叠跃迁的先进电气和光电器件奠定了基础。

研究成果

二维范德瓦尔斯(vdW)材料中的堆积顺序决定了原子薄层之间的相对滑动(横向位移)和扭曲(旋转)。通过改变堆积顺序，可以产生许多新的铁性、强相关和拓扑有序结构，并具有奇特的电学、光学和磁学特性。由于vdW 层间键合较弱，这种高度灵活、高能效的堆序工程改变了二维 vdW 材料的量子特性设计，为电子学、自旋电子学、光子学和表面化学领域的微型高性能器件应用释放了潜力。美国威斯康星大学Jun Xiao教授等人在本综述中全面概述了二维 vdW 材料中的堆积阶工程及其器件应用,从典型的制造和表征方法到新颖的物理性质以及新兴的滑动电子学和双电子学器件原型。研究重点在于堆叠阶数对层间电荷转移、轨道耦合和平带形成的关键作用，从而设计出具有按需量子特性和表面势能的创新材料。通过展示堆叠构型与器件功能之间的相关性，强调了堆叠构型对下一代电子、光子和化学能转换器件的影响。最后，展望这一激动人心的领域，包括未来堆叠阶工程研究的挑战和机遇。相关研究以“Stacking Order Engineering of Two-Dimensional Materials and Device Applications”为题发表在Chemical Reviews期刊上。

图文导读

Figure 1. Overview of stacking order engineering of two-dimensional layered materials and their device applications.

总结与展望

总之，作者回顾了层状材料堆叠工程在新相物理和器件应用方面取得的令人振奋的进展。通过调整各种 vdW 堆叠化合物中的层间滑动和扭曲，人们可以大幅调整其电子、光学和化学特性。展望未来，这一重要而又新兴的领域将在以下方面迎来许多研究机会：(1)可重复和大规模的堆叠材料合成与加工；(2) 精确和高通量的理论建模；(3)为滑动电子学和扭曲电子学提供更多的材料选择，(4)堆叠工程材料和器件中的超快动力学和畴动力学；以及(5)堆叠工程带来的新化学功能。

文献链接

Stacking Order Engineering of Two-Dimensional Materials and Device Applications

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00618

转自：“i学术i科研”微信公众号

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