西湖大學Adv.Sci.：新型人工三維晶體組裝方案

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二維材料因其獨特的單分子層晶體結構，展現出獨特的物理特性和遠超傳統三維材料的應用潛力，受到廣泛關注和深入研究。其另一顯著優勢在於範德華介面特性，能夠無需晶格匹配便將不同晶體組裝在一起。這種特性使研究人員能夠構建自然界中不存在的人工晶體，進而實現特定效能和全新的物理現象。例如，層間轉角的存在可在二維材料中形成周期性的莫爾條紋，從而產生獨特的電子和光學特性。

儘管二維材料在面內的週期性結構已被廣泛研究，厚層二維材料中的垂直方向週期性結構卻仍未得到充分探索。構建具有原子級精度的垂直超晶格，對於揭示新物理現象和實現多功能應用具有巨大潛力。然而，構築垂直週期性晶體面臨諸多挑戰。當前，人工二維晶體的組裝受限於原材料的微米尺寸或者多晶性。且人工組裝晶體均為二維晶體，難以整合三維材料以提供更多設計上的自由度。為充分挖掘縱向週期性結構在調控晶體效能方面的潛力，人工組裝三維晶體的製造技術仍是亟待解決的問題。

西湖大學工學院孔瑋實驗室提出了一種新型的人工三維晶體的組裝方案，首次實現了二維，三維材料交替分佈的週期性人工三維功能晶體。為未來人工功能晶體的設計和製造提供了關鍵思路。相關工作以“3D Crystal Construction by
Single-Crystal 2D Material Supercell Multiplying”為題發表於Advanced Science。

圖1 超晶胞倍增法

本研究結合傳統金屬輔助剝離法與聚二甲基矽氧烷（PDMS）轉移技術，開發了一種高效快速製造縱向週期性晶體的超晶胞倍增方案。具體而言，首先在PDMS薄膜上完成多層二維材料的堆疊，然後利用雷射切割技術對二維材料及PDMS薄膜進行裁切，並依次將PDMS薄膜上的二維材料重複堆疊，實現快速的縱向堆疊過程。以單層單晶二硫化鉬為原材料，人工組裝出厚度達150奈米的單晶二硫化鉬薄膜，為高厚度縱向週期性晶體的構築提供了一種高效解決方案，同時為進一步的人工三維晶體的組裝提供了技術基礎。

圖2 200層人工組裝單晶二硫化鉬晶體的表徵

圖3 氧化物薄膜的剝離與組裝

為進行三維晶體的組裝，本研究開發了氧化物薄膜的組裝方法，使得各類氧化物薄膜能夠成為人工晶體構造的原材料之一。利用氧化物薄膜和二維材料之間較弱的範德華介面，實現了氧化物薄膜的剝離和後續的組裝，將氧化物薄膜納入了人工組裝晶體的原材料中。

圖4 人工組裝週期性非線性光學晶體

透過對氧化物薄膜和二維材料的組裝，本研究創造了一種氧化物薄膜和二維材料交替分佈的週期性人工三維光學晶體，能夠實現二次諧波的相位匹配，從而產生高強度二次諧波。相對於單層二硫化鉬，該人工三維工晶體實現了573倍的二次諧波增強。

本文亮點

實現了人工組裝晶體的高通量製造，基於單層單晶二硫化物，人工構築了150奈米厚的200層單晶二硫化鉬薄膜，遠高於此前文獻報道中的單晶大面積堆疊最高紀錄，5層。
設計並製造了新型的非線性人工組裝三維晶體，實現了二維諧波的相位匹配，相較於單層二硫化鉬，該人工三維晶體實現了573倍的二次諧波增強，在相同實驗條件下，為文獻報道中的最高數值。
將氧化物薄膜納入人工組裝晶體的原材料庫中，為人工組裝晶體的結構設計提供了新的自由度，推進新型人工組裝功能晶體在光學，熱學，電學領域中的功能設計和應用。

本研究的第一作者為西湖大學-浙江大學聯合培養博士生李文浩。西湖大學工學院特聘研究員孔瑋為本研究通訊作者。該工作得到了西湖大學未來產業研究中心和西湖教育基金的資助支援。