综述：转角堆叠二维材料的制备、光学特性及应用

一、研究背景

正如儿时玩过的“乐高积木”一样，我们可以利用层间的范德华力将不同的二维材料依次堆叠在一起制备成“范德华堆叠结构”。得益于这种结构下材料所表现出的强烈层间耦合作用以及不同二维材料所具有的本征属性，我们可以在微纳尺寸上实现“1+1>2”的效果。
  不仅如此，通过改变范德华堆叠结构中二维材料层间的相对旋转角度，人们发现该结构还可以表现出奇特的角度依赖特性，甚至有时可以表现出意想不到的材料特性。“旋转角度”已经成为该材料体系性能调控新的“自由度”。区别于常见的“范德华堆叠结构”，人们将这种旋转角度依赖的新式结构统称为“转角二维材料”（twisted 2D materials, T2DM）。对于该材料体系特性的详细研究有利于拓展其在微纳光电子领域的潜在应用。 

二、工作简介

为此，南开大学与长春光学精密机械与物理研究所、太原理工大学、天津理工大学合作，在《Nanophotonics》上发表题为“Fabrication, optical properties, and applications of twistedtwo-dimensional materials”的综述论文。该成果详细综述了目前由常见二维材料所组成的T2DM体系的制备过程、光学性质以及在光学领域的相关应用，对T2DM体系目前所遇到的困难和未来的发展状况进行了介绍。

图1 T2DM概念示意图、常见的光学特性以相关应用 

T2DM的制备与传统的“范德华堆叠结构”制备方法类似，大体上可以分为化学合成和人工堆叠两种方式。化学合成方法以化学气相沉积（CVD）法最为常见。然而，受限于不同材料之间晶格常数等条件的差异，目前制备旋转角度精确、不同材料组成的T2DM还有一定的困难。相比之下人工合成法要灵活很多，所选择的材料及相对旋转角度和位置都可控，需要重点关注的问题则是材料间相对旋转角度（即材料晶向）的精确确定。

图2 T2DM体系中二维材料的晶向确定

(A-B)转角双层石墨烯的cutting-rotation-stacking和h-BN辅助的tear-stack制备方法；(C-E)二硫化钼(MoS₂)的二次谐波法(SHG)晶向判定；(F-H)黑磷(BP)的反射光谱法晶向判定。得益于强烈的层间耦合作用，T2DM表现出了明显的“旋转角度依赖”的光学特性。本文主要针对该体系的光吸收、Raman光谱、光致发光（PL）、非线性二次谐波（SHG）、光学手性、光热性质等特性进行报道。由于不同二维材料组成的T2DM体系所表现出的光吸收增强特性、晶向依赖的光生载流子传输特性以及层间依赖的光致发光增强等特性，本文围绕光电探测器、“晶向依赖”的光电二极管和层间耦合激子激光器等光学应用进行了论述。

图3 基于转角双层石墨烯的光电探测器

(A-D)转角双层石墨烯的能带结构、范霍夫奇点能级随旋转角度的变化关系、空间分辨的角分辨光电发射光谱及其CVD生长结构的统计分布；(F-G)垂直光照模式下，转角双层石墨烯光电探测器的旋转角度依赖的光电特性；(H-K)全反射光照模式下，转角双层石墨烯光电探测器的光电响应特性。

图4 “晶向依赖”光电二极管

(A-C)转角双层黑磷的结构、外电场作用下的能带结构和偏振依赖的光吸收谱；(D-H)转角少层黑磷的结构、能带结构、门控电学特性及偏振光依赖的光响应特性；(I-J)转角依赖的少层二硫化铼-黑磷“晶向依赖”光电二极管的结构和光响应特性。

图5 层间耦合激子激光器

(A-F)层间耦合moiré激子的示意图及其在磁场和电场作用下的光致发光特性；(G-J)二硒化钨-二硒化钼激子激光器的结构及其发光特性

三、总结与展望

文中最后，对T2DM体系的研究进行了总结，目前相关研究主要面临以下挑战：

（1）快速、有效、洁净、高质量的材料制备，这是理论探索和面向实际应用的基础；

（2）理论模型或理论计算方法的优化，包括对外界影响环境（材料缺陷等）、量子机制、多层复杂模型等因素的综合考虑；

（3）新材料体系、新光学特性的理论预期和实验探索，主要需扩展该材料体系的新应用。

四、文献信息

文献名称：Fabrication,optical properties, and applications of twisted two-dimensional materials(Nanophotonics，2020-01-13)

文献链接：https://www.degruyter.com/view/journals/nanoph/ahead-of-print/article-10.1515-nanoph-2020-0024/graphic/j_nanoph-2020-0024_fig_011.jpg

DOI:https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0024