二維材料因其獨特的單分子層晶體結構，展現(xiàn)出獨特的物理特性和遠超傳統(tǒng)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(yōu)勢在于范德華界面特性，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(xiàn)特定性能和全新的物理現(xiàn)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。

盡管二維材料在面內的周期性結構已被廣泛研究，厚層二維材料中的垂直方向周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，對于揭示新物理現(xiàn)象和實現(xiàn)多功能應用具有巨大潛力。然而，構筑垂直周期性晶體面臨諸多挑戰(zhàn)。當前，人工二維晶體的組裝受限于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，難以集成三維材料以提供更多設計上的自由度。為充分挖掘縱向周期性結構在調控晶體性能方面的潛力，人工組裝三維晶體的制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(xiàn)了二維，三維材料交替分布的周期性人工三維功能晶體。為未來人工功能晶體的設計和制造提供了關鍵思路。相關工作以“3D Crystal Construction by Single-Crystal 2D Material Supercell Multiplying”為題發(fā)表于Advanced Science。

圖1 超晶胞倍增法

本研究結合傳統(tǒng)金屬輔助剝離法與聚二甲基硅氧烷（PDMS）轉移技術，開發(fā)了一種高效快速制造縱向周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，然后利用激光切割技術對二維材料及PDMS薄膜進行裁切，并依次將PDMS薄膜上的二維材料重復堆疊，實現(xiàn)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納米的單晶二硫化鉬薄膜，為高厚度縱向周期性晶體的構筑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征

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(fā)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范德華界面，實現(xiàn)了氧化物薄膜的剝離和后續(xù)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 人工組裝周期性非線性光學晶體

通過對氧化物薄膜和二維材料的組裝，本研究創(chuàng)造了一種氧化物薄膜和二維材料交替分布的周期性人工三維光學晶體，能夠實現(xiàn)二次諧波的相位匹配，從而產生高強度二次諧波。相對于單層二硫化鉬，該人工三維工晶體實現(xiàn)了573倍的二次諧波增強。

本文亮點

1. 實現(xiàn)了人工組裝晶體的高通量制造，基于單層單晶二硫化物，人工構筑了150納米厚的200層單晶二硫化鉬薄膜，遠高于此前文獻報道中的單晶大面積堆疊最高紀錄，5層。
2. 設計并制造了新型的非線性人工組裝三維晶體，實現(xiàn)了二維諧波的相位匹配，相較于單層二硫化鉬，該人工三維晶體實現(xiàn)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(shù)值。
3. 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(lián)合培養(yǎng)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(yè)研究中心和西湖教育基金的資助支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202411656