二维 (2D) 材料和范德华 (vdW) 异质结构是柔性材料，具有超出传统晶格匹配要求单元的独特原子层。然而，迄今为止研究人员探索的二维范德华结构仅限于具有少量块的相对简单的异质结构。由于产量有限以及与重新堆叠或合成相关的材料损坏，制备具有无数交替单元的高阶 vdW 超晶格的难度呈指数级增长。

使用毛细管力驱动的卷起过程，赵等人。从生长衬底上分层合成硫化锡(SnS 2 )/二硒化钨(WSe 2 ) 范德华异质结构，以产生具有交替单层材料的卷起，以创建高阶 SnS 2 / WSe 2 vdW 超晶格。超晶格调制电子能带结构和维度，以允许传输特性从半导体到金属，以及从 2D 到具有角度相关线性磁阻的一维 (1D) 的转变。该团队扩展了这一策略，以创建更复杂且超越单纯 2D 的各种 2D/2D vdW 超晶格，包括 3D 薄膜材料和 1D 纳米线，以生成混合维 vdW 超晶格。该工作表明了一种生产具有一系列材料成分、尺寸、手性和拓扑结构的高阶 vdW 超晶格的通用方法，以开发用于基础研究和技术应用的丰富材料平台。结果现已发表在《自然》杂志上。

创建范德瓦尔斯异质结构。

原子级薄的 2D 层状材料开辟了新的途径，可以在单个或几个原子层的限制下探索低维物理，以创建具有前所未有的性能或独特功能的功能设备。材料科学家可以混合和匹配不同的 2D 材料，包括石墨烯、六方氮化硼和过渡金属二硫属化物，以创建超出晶格匹配限制的2D vdW 异质结构和 vdW 超晶格。这些材料架构引入了一种范式，可以设计具有结构和电子特性的人造材料，以实现现有材料无法实现的功能。迄今为止，研究人员已经通过化学气相沉积等一系列方法获得了 vdW 异质结构和超晶格(CVD)、机械剥离和逐层重新堆叠以创建不同的异质结构。在这项工作中，赵等人。报道了一种通过卷起 2D vdW 异质结构来创建高阶 vdW 超晶格的直接方法。科学家们将 CVD 生长的 2D/2D vdW 异质结构暴露在乙醇-水-氨溶液中，以允许毛细力驱动自发分层和卷起过程，以形成 vdW 异质结构卷起。这些材料包含高阶 vdW 超晶格，无需多次转移和重新堆叠过程。然后，该团队使用扫描透射电子显微镜(STEM) 和能量色散 X 射线光谱仪 (EDS) 元素映射研究，以确定超晶格的原子组成。

开发卷起 vdW 异质结构

科学家接下来进行了电输运研究，以显示 vdW 超晶格中的输运特性从 2D 到 1D 的演变，其电导和角度相关的磁阻大大增强。它们扩展卷起策略创建使用多样的2D / 2D范德华超晶格和复杂的三组分2D / 2D / 2D范德华超晶格锡硫化物/二硫化钼/二硫化钨的材料。该技术还允许生产 2D 以外的材料，包括 3D 或 1D 材料，以生成一系列多维 vdW 超晶格。

制作工艺

在卷起 vdW 超晶格的制造过程中，赵等人。首先使用改进的化学气相沉积工艺在二氧化硅硅衬底上生长二维原子晶体。该团队使用所得的 2D 晶体作为 vdW 外延生长的模板，以实现 vdW 异质结构。然后，他们使用乙醇-水-氨溶液启动了毛细力驱动的卷起过程。溶液嵌入硫化锡/二硫化钨 vdW 异质结构和下面的二氧化硅/硅衬底之间的界面，以分层硫化锡/二硒化钨结构，并在表面张力的帮助下引发自发卷起过程. 这项工作启用了包含高阶 2D vdW 超晶格的 2D vdW 异质结构汇总。然后，研究人员使用聚焦离子束铣削生成卷的横截面切片，并使用高分辨率 STEM 和 EDS 元素映射研究对其进行分析。

新材料特性

卷起过程为高阶超晶格开辟了一条简单的道路，并为材料科学家提供了一种方法来定制所得超晶格结构的层间耦合、维数和拓扑结构。例如，通过将硫化锡/二硒化钨双层 vdW 异质结构转化为高阶 vdW 超晶格，Zhao 等人。可以改变它的能带结构，从而改变它的电子特性。研究人员通过基于多体微扰理论的第一性原理计算探索了这些影响，并探索了电子能带结构产生的 vdW 超晶格。结果表明，异质双层表现出 II 型能带排列，价带最大值 (VBM) 来自硒化钨材料，导带最小值来自硫化锡，表观间接带隙为 0.33 eV。超晶格的其他结构改变可以将异质双层中的主要超导特性改变为金属行为。

场效应晶体管

为了了解 vdW 超晶格的电气特性，研究人员接下来开发了场效应晶体管(FET) 在二氧化硅/硅衬底上使用异质双层和卷起 vdW 超晶格，金属薄膜作为源电极和漏电极，硅衬底作为背栅，二氧化硅作为电传输过程中装置的栅极电介质学习。异质双层器件几乎没有导电性，而卷起的 vdW 超晶格在 1 V 偏压下显示出高电导，电流为 100 µA。结果表明，由于带隙显着减小，卷起的 vdW 超晶格中的电荷传输得到了极大改善。基于传输特性，赵等人。确定了 vdW 异质双层和卷起超晶格中的载流子迁移率和载流子密度。这项工作表明了能带结构的演变。尤其，该团队展示了维度如何在卷起时从 2D 变为 1D。他们使用与角度相关的磁阻研究证实了卷起的一维传输性质。

高阶超晶格。

赵等人。接下来扩展了 roll-up 策略，以产生具有不同化学成分和物理特性的 2D/2D 超晶格卷，作为研究不同几何形状和维度下的铁电性、铁磁性、超导性和压电性的丰富平台。他们还开发了包含单层和双层重复单元的高阶超晶格结构，为三种成分的二维材料形成高度均匀的超晶格结构。他们扩展了基于原子层沉积(ALD)创建混合维 vdW 超晶格的方法。研究人员还通过卷起具有不同材料成分和手性的异质双层，开发了更复杂的超晶格，为未来研究提供了一个令人兴奋的探索方向。

外表

通过这种方式，Bei Zhao 及其同事开发了一种简单而通用的方法来形成多维高阶 vdW 超晶格，其中包含不同 2D 材料的交替层，以及 3D 和 1D 材料。这些材料保持了广泛可变的成分和尺寸，以创造超越传统材料系统的高度工程化的人造结构。这项工作提供了相当大的自由度，可以为层间耦合、手性和拓扑结构定制所得的超晶格结构。此类材料可以调整以产生复杂的超晶格结构，类似于通常用于多片晶体管、量子隧道器件、先进的发光二极管或量子级联激光器的结构。这种具有 1D 和 3D 组件的实验设置提供了独特的几何形状，可用于探索量子物理和实现特定的设备功能。这项工作还为基础研究和技术应用提供了丰富的材料平台。