▲第一作者：Zhengwei Zhang, Ziwei Huang, Jia Li
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-022-01106-3
二维(2D)材料及其异质结构已成为一种非常令人兴奋的材料系统，用于探索奇异物理并在单原子或少数原子厚度的限制下创造新的器件功能。特别是，原子级薄的二维薄片可以很容易地通过块状层状晶体的机械剥离来制备，并且可以通过高度通用的手动重新堆叠方法获得高质量的异质结构。这种现成的二维材料和异质结构推动了基础研究和基本器件演示的快速扩展，但另一方面，也部分地阻碍了实现二维材料和异质结构的直接合成控制的努力。出于这个原因，迄今为止对二维材料的大量研究仅限于机械剥离材料和手动重新堆叠的异质结构。二维材料的合成控制的研究远远落后，特别是它们的异质结构。
1. 本工作报告了一种在单层二维原子晶体中制造镶嵌异质结构阵列的合理合成策略。通过使用激光图案化和各向异性热蚀刻工艺，本工作在二维晶体中创建了具有精确控制尺寸和原子级清洁边缘的周期性三角形孔阵列，作为另一个二维晶体的内外延生长的稳健模板，以获得单层镶嵌异质结构原子级尖锐异质结界面。
2. 本工作通过系统的微观结构和光谱表征揭示了整个镶嵌异质结构中化学成分、晶格应变和电子带隙的周期性调制。
3. 具有高水平合成控制的单层镶嵌异质结构(monolayer mosaic heterostructures, MMHs) 的稳定增长为能带结构工程和空间调制原子薄二维晶体中的潜在图景开辟了道路，为二维异质结构中基础研究和复杂器件的开发和集成建立了可设计的材料平台。
▲图1. WS2-WSe2 MMHs横向内延生长示意图
1、图1所示说明了在单层过渡金属二硫属化物(TMD)中产生镶嵌异质结构的加工步骤。本工作将最初的讨论集中在WS2-WSe2异质结构上作为一个代表性例子。
2、首先，采用化学气相沉积(CVD)方法合成大面积单层WS2单晶。随后，使用聚焦激光照射在单层WS2晶体中产生周期性点缺陷阵列，然后对其进行控制温度和持续时间的热蚀刻工艺，以产生具有周期性三角形孔阵列的多孔WS2晶体。最后，通过WSe2在图案化单层WS2模板中的横向内外延生长获得MMH。
3、值得注意的是，与传统的光刻和等离子体蚀刻工艺相比，使用激光图案和热蚀刻工艺来创建周期性的多孔WS2模板是有利的，因为它不仅允许以原子精度进行高选择性蚀刻，而且还避免了光刻引起的污染，可以沿着加工步骤传播并充当随机成核位点，导致成核和生长过程控制不佳，并导致高度异质的多层材料。
▲图2. 通过激光图案化和热蚀刻制造多孔WS2模板
1、图2a-d显示了四个典型的单层WS2在SiO2/Si衬底上的光学显微镜图像，这些图像分别在1100 °C的激光图案化和热蚀刻工艺20 s、25 s、30 s和35 s后进行。这些图像显示了高度规则的周期性孔阵列，表明蚀刻策略是由激光图案化过程产生的预先指定的缺陷位点所独有的。
2、所得孔呈现出具有相同方向的多面三角形几何形状，表明高度各向异性的热蚀刻由单层WS2晶体的晶体边缘的热力学稳定性决定。规则三角形孔的形成是由动力学Wulff构造决定的，高能晶面（边缘）逐渐消失，导致三角形孔沿特定结晶方向被低能晶面（边缘）包围。
3、采用 20 s、25 s、30 s 和 35 s刻蚀得到的三角形孔的平均边长分别为3.2、5.3、7.1和9.0 μm，标准偏差分别为0.14、0.06、0.07和0.21 μm（图2e)。标准偏差基本上低于光学显微镜研究的测量误差，表明蚀刻过程高度均匀。边缘长度与时间呈线性关系，平均蚀刻速率为~0.38 μm s-1（图2f）；蚀刻速率也可以通过蚀刻温度进行调整（图2g），展示了高度稳健和可控的蚀刻过程。
1、图 3a 显示了通过使用内外延生长方法获得的单层WS2-WSe2镶嵌异质结构阵列的光学显微镜图像。与WS2中的三角形孔阵列相比，其中三角形与WS2矩阵相比显示出较浅的对比度，嵌入WS2-WSe2镶嵌异质结构中的WSe2三角形显示出均匀、较暗的对比度，这表明完全的内外延生长填充了整个三角孔的开口面积。
2、AFM相位图像还显示了WSe2和WS2区域之间的明显对比（图3b），而 AFM 地形图显示了整体光滑表面，除了边界上的一些轻微波动（图3c）外，对比度基本一致（图3c），表明贯穿整个图像区域的连续单层结构。
3、更高分辨率的 AFM 形貌图像显示垂直于横向异质界面的周期性波纹（图3d），这可归因于由晶格失配引起的应变。AFM线轮廓显示波纹的周期性约为 28 nm，峰谷高度为1.2 nm，这与在WS2-WSe2超晶格中观察到的相似，表明通过异质界面存在相干晶格 MMH中的结构变形。
1、选择性图案化和内外延生长方法可以很容易地扩展到其他MMH的生长。为此，本工作还制备了单层WS2-MoS2镶嵌异质结构。WS2-MoS2异质结构的光学显微镜图像显示在WS2基质（亮对比度）中MoS2域（暗对比度）的共存（图4a）。
2、AFM相图显示MoS2区域与WS2区域明显的对比度(图4b)，三角形MoS2区域周期性嵌入WS2基体中。
3、AFM形貌图(图4c)显示出近乎均匀的对比度，WS2基体和WSe2畴之间没有明显的对比度差异，高分辨率的形貌研究和线轮廓进一步表明，异质结界面之间没有明显的台阶高度差异(图4)，表明单层WS2基体和嵌入单层MoS2三角畴之间形成了近乎理想的单层异质结。
4、与WS2-WSe2异质结构中纹波较高的界面相比，WS2-MoS2异质结构在界面间表现出的纹波结构要少得多，在MoS2三角形顶点周围只有少数纹波，这很可能是由于WS2和MoS2之间的晶格失配小得多(~0.3%失配)。
https://www.nature.com/articles/s41565-022-01106-3
段曦东，湖南大学教授/博导，近年来一直从事新二维材料和二维复杂结构（包括横向和垂直异质结、多异质结、超晶格、异质结阵列）的制备、表征和在电子、 光电子、催化等领域应用等的研究。近五年相关研究以通讯作者或第一作者发表SCI论文24篇，其中IF>10的15篇（Science1篇，Nature nanotechnol.1篇，J. Am. Chem. Soc. 3篇, Chem. Soc. Rev.2篇, Nano Lett.2篇，ACS nano1篇，Adv. Mater.2篇，Adv. Fun. Mater 1篇 Angew. Chem. Int. Ed. 1篇，Small 1篇，Chem. Mater 1篇），其中热点论文2篇， 高被引论文 7 篇，论文近五年他引2800 余次，单篇论文引用超500次。有授权专利7项。获2017年湖南省自然科学一等奖（排名第二），获2017年中国电子科技十大进展奖，2018年获湖南大学岳麓学者特聘教授A岗,2019年获国家自然科学二等奖(排名第三)。他通过精确调控二维材料的化学成分和电子结构，在国际上率先制备出了人类历史上第一个原子级薄的二维材料横向异质结；并成功示范了其在光电检测、光伏效应和反相器方 面的应用。以所发表的二维材料工作为基础撰写了二维材料研究进展综述。其研究工作在www.nanototechweb.org等专业网站引起了广泛的关注。2017年和段镶锋教授合作，实现了2D异质节、多异质节以及超晶格的可控外延生长（Science 2017），这是以湖南大学为第一作者和第一单位发表的首篇Science论文。
http://nanotech.hnu.edu.cn
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