近日消息，英国谢菲尔德大学的物理学家发现，当两个原子级薄的石墨烯类材料相互叠加时，它们的性质会发生变化，并且出现具有新型混合特性的材料，为新材料和纳米器件的设计铺平了道路。
这种情况发生时，没有物理混合两个原子层，也没有通过化学反应，而是通过弱的所谓的范德华相互作用将层彼此连接- 类似于胶带如何附着到平坦表面上。
在《Nature》发表的突破性研究中，科学家们还发现，通过扭转两个堆叠的原子层可以精确控制新混合材料的性质，为未来在纳米级的复合材料和器件中实现自由度的控制开辟了道路。
堆叠不同种类的层状材料以制造所谓的异质结构的想法可以追溯到20世纪60年代，当时研究半导体砷化镓用于制造微型激光器 – 现在以及被人们广泛使用。
今天，异质结构是非常常见的，并且在半导体工业中被广泛用作设计和控制器件中的电子和光学性质的工具。最近，在原子级薄的二维（2-D）晶体（例如石墨烯）时代，出现了新型的异质结构，其中原子级薄层通过相对较弱的范德华力保持在一起。
被人们称为“范德瓦尔斯异质结构”的新结构通过将任意数量的原子级薄层堆叠在一起，开辟了创造众多“元”材料和新型设备的巨大潜力。传统的三维材料无法实现数百种组合，而这种新结构可能会获得新的未开发的光电器件功能或不寻常的材料特性。
在这项研究中，研究人员使用了由所谓的过渡金属二硫化物（TMD）制成范德瓦尔斯异质结构，这是一种常见的的层状材料。它的三维体积形式有点类似于石墨 （铅笔芯中使用的材料），可以提取单个2-D原子碳层石墨烯。
研究人员发现，当两个原子级薄的半导体TMD在一个结构中组合时，它们的特性会发生杂化。来自谢菲尔德大学的亚历山大·塔尔塔科夫斯基教授说：“这些材料相互影响并改变彼此的属性，必须被视为一种具有独特属性的全新’元’材料 – 所以一加一不等于二。
“我们还发现，这种杂化的程度很大程度上取决于每层各个原子晶格之间的扭曲。我们发现，当原子层扭曲时，新的超原子周期性出现在异质结构中 – 称为莫尔超晶格。”
“莫尔超晶格，其周期取决于扭曲角度，决定了两种半导体的特性如何杂化。”
在其他研究中，已经发现并研究了类似的效应，主要是在石墨烯中，石墨烯是二维材料族的“创始”成员。最新研究表明，其他材料，特别是半导体如TMD，显示出强烈的杂化，此外还可以通过扭转角来控制。
科学家们相信这项研究显示了创造新型材料和设备的巨大潜力。
Tartakovskii教授补充说：“范德瓦尔斯异质结构中原子级薄材料之间相互作用的复杂情况越来越多。这令人兴奋，因为它提供了获得更广泛的材料特性的机会，例如不寻常和扭曲可调的导电性和光学响应，磁性等。在设计新的基于2-D的设备时，这可以并将被用作新的自由度。”研究人员希望进一步研究以探索更多的材料组合，以了解新方法的功能。
Resonantly hybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures
https://doi.org/10.1038/s41586-019-0986-9
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