文章来源：知社学术圈
西湖大学工学院孔玮团队开发了一种基于范德华力的快速解耦和重组集成方案，成功实现了多种二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMDCs）的大面积逐层转移与组装。这一人工组装手段可实现精确的转角控制，进而构建多层转角TMDCs。最终，研究团队成功以非手性TMDCs材料为单体，通过人工集成得到具有螺旋手性的2D薄膜。该工作不仅开发了一种高效的大面积2D材料洁净堆叠方法，而且展示了人工集成工程在创造新结构和发现新性质方面的巨大潜力。相关工作以“Van der Waals Assembly of Multilayer Twisted Transition Metal Dichalcogenides with Controllable Chirality”为题发表于Advanced Functional Materials。
二维（2D）过渡金属硫属化合物（TMDCs）莫尔超晶格因其独特的结构和物理性质备受关注。研究表明，莫尔TMDCs的性质不仅取决于扭转角度，还与层数密切相关。多层转角TMDCs体系由于复杂的层间耦合作用，往往展现出新颖的特性。尽管TMDCs本身不具有手性，但通过螺旋生长或扭转堆叠，理论上可诱导出手性特征，且该性质可通过转角和层数调控。然而，二维材料的螺旋手性组装仍面临三大挑战：转角的精确控制、大面积手性均匀性的保持，以及多层系统复杂耦合机制的理解。虽然化学气相沉积可制备扭曲双层MoS₂，但多层扭曲TMDCs仍需依赖人工堆叠。传统堆叠方法效率低且易引入有机残留，阻碍了多层转角体系的构建及其构效关系的精准研究。
针对上述问题，研究团队开发了一种基于范德华力（vdW）的快速解耦与重组策略，实现了多层TMDCs同质和异质结构的高效逐层组装。该方法消除了层间有机污染，确保了清洁的2D界面。解耦与复合过程自发且动态，大幅提高了组装效率。此外，该方法可精确调控扭转角度，进而有效调控转角TMDCs的手性，并揭示转角和层数对2D手性的影响。该研究不仅为多层转角TMDCs的精确制备提供了可靠方法，也为这一体系的构效关系研究建立了新范式。
图1. vdW相互作用解耦/重组策略用于大面积MoS2薄膜的逐层组装
研究团队发展了范德华力的解耦和重组方案，实现了蓝宝石衬底表面MoS2薄膜的快速转移和堆叠。当PDMS-MoS2-蓝宝石放入水中时，水分子会插入MoS2/蓝宝石界面，使γ3解耦并弱化为γ1，从而将MoS2转移到PDMS表面（γ1 < γ2）。当PDMS/MoS2重新贴合到新的MoS2/Al2O3上时，双层（2L）MoS2之间的范德华力γ4迅速形成，这一范德华力比MoS2与PDMS和Al2O3之间的结合力都强（γ2 < γ3 < γ4）。当PDMS-2L MoS2-蓝宝石放入水中时，γ3再次解耦并弱化为γ1，从而将2L MoS2转移到PDMS表面（γ1 < γ2 < γ4）。如果重复进行上述vdW界面的解耦和重组，将会在获得多层MoS2。这一范德华力辅助的转移策略，不仅避免了传统多层组装方案中PDMS多次释放造成的界面污染，更极大地提高了组装效率。
图2.多层TMDCs异质结集成
这一范德华集成工艺兼容蓝宝石衬底上其他TMDCs材料如MoSe2和WS2的异质堆叠，并且可以实现高分辨的图案化集成。Raman光谱、截面HAADF-STEM图像及其能量色散X射线能谱（EDX）清楚地反映了异质结的结构完整性及表面洁净性。这种系统的方法能够精确制造具有定制几何形状的复杂2D异质结构，有望推进二维材料在柔性光电子学和量子集成器件中的应用。
图3.转角多层MoS2的角度控制
由于生长的晶圆级TMDCs为单晶的，因此支持“直边对准”的策略进行角度控制。在该方法中，首先将单晶MoS2/Al2O3晶圆切割成标准小片，其边缘可作为参考直边，进行角度控制。通过样品边缘测量的夹角和选区电子衍射（SAED）测得的夹角保持一致，反映了角度控制工艺的可靠性。更重要的是，这一角度控制方案适用于多层组装的层间角度控制，以实现对多层转角TMDCs体系构效关系的探索和厘清。
图4.转角多层TMDCs的手性控制及其构效关系。
将两层MoS2按照一定转角θ堆叠，当下层材料固定不动，上层材料逆时针旋转堆叠和顺时针旋转堆叠的结构呈镜面对称，但是在空间内无法完全重合。这使得这两组转角堆叠的结构如同人的左右手，无法完全重合，产生螺旋手性，分别对应左旋（L）手性和右旋（R）手性。研究团队发现左旋20°和右旋20°的转角MoS2样品的圆二色（CD）信号大小相等，方向相反。这一结果证明了通过非手性TMDCs单晶的转角堆叠，可以构建具有圆偏振活性的TMDCs薄膜。进一步地，通过角度的层数的控制，研究团队发现手性信号随转角遵循在正弦函数变化，而随层数呈线性增强变化。
本文亮点：
发展了一种基于范德华力解耦与重组的多层TMDCs集成方案，为大面积多层TMDCs的高效洁净组装提供了可靠的技术手段。
这一范德华组装方案兼容多种TMDCs材料的图案化集成，并且只支持层间角度的精准控制。
通过非手性TMDCs单体的人工集成，制造出具有明确手性的TMDCs薄膜，并且清晰地厘清了转角多层TMDCs的手性与结构的关系。
本研究的第一作者为西湖大学工学院博士生沈继闯。西湖大学工学院特聘研究员孔玮、博士生沈继闯为本研究通讯作者。该工作得到了西湖大学未来产业研究中心和西湖教育基金的资助支持。
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