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超晶格是兩種或兩種以上材料的二維層的周期性疊加，它為具有定制性能的工程材料提供了一種通用方案。

在此，來自北京理工大學(xué)的周家東(一作兼通訊)和姚裕貴&北京大學(xué)和南方科技大學(xué)的吳孝松&新加坡南洋理工大學(xué)的Kazu Suenaga & 劉政等研究者，直接通過化學(xué)氣相沉積沉積，報告了一種由二維二硫化釩(VS₂)和一維硫化釩(VS)鏈陣列交替層組成的本征異維超晶格。相關(guān)論文以題為“Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect”于2022年08月31日發(fā)表在Nature上。

超晶格，由于其獨特的電子、光學(xué)和磁性而引起了人們的廣泛關(guān)注。一般來說，傳統(tǒng)的超晶格是在相同維度的材料之間形成的(如三維(3D) -三維、二維(2D)-二維和一維(1D)-1D超晶格)。

近年來，二維材料的突破豐富了超晶格家族，包括范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)、moiré周期模式和隨機(jī)插層化合物。例如，各種典型的超晶格，如六方氮化硼/石墨烯和扭曲石墨烯的moiré超晶格，((GeTe)_x/(Sb₂Te₃)_y)_n與有機(jī)分子(十六烷基三甲基溴化銨)插層黑磷的混合，以及分子二硫化鉬。

此外，還報道了嵌層化合物，包括鈮基、釩基超晶格和本征二維超晶格MnBi₂Te₄。這些超晶格，具有應(yīng)用于量子自旋電子器件所需的潛在超導(dǎo)性和鐵磁性。然而，這些超晶格大多是通過外延生長或通過不同的方法堆疊二維材料而獲得的。

此外，在結(jié)構(gòu)和尺寸上，報道的超晶格為3D-3D、2D-2D和1D-1D超晶格。在本征二維(或三維)材料和一維材料之間形成的本征異維超晶格的實現(xiàn)，仍然是實驗中的一大挑戰(zhàn)。

在此，研究者報道了用一步化學(xué)氣相沉積(CVD)方法直接生長的釩基二維超晶格中的異維本征超晶格結(jié)構(gòu)。該超晶格是二維二硫化釩(VS₂)層和一維硫化釩(VS)鏈陣列的周期結(jié)構(gòu)，屬于單斜對稱的C2/m空間群。這樣的結(jié)構(gòu)在冶金學(xué)中是沒有預(yù)料到的。由于二維VS₂和一維VS陣列的存在，超晶格(VS₂-VS)表現(xiàn)出一種有趣的室溫面內(nèi)反?；魻栃?yīng)。這種效應(yīng)的磁場角依賴性表明，只有沿特定晶體方向的磁化作用起作用。強(qiáng)各向異性源于超晶格中獨特的VS鏈的一維性質(zhì)。該工作為探索具有優(yōu)良物理性質(zhì)的異次元超晶格開辟了一條道路。

在此，這種獨特的超晶格具有非常規(guī)的1T疊加，研究者通過掃描透射電子顯微鏡識別出VS₂/VS層的單斜單胞。當(dāng)磁場在平面上時，可以觀察到一個意想不到的霍爾效應(yīng)，其持續(xù)時間可達(dá)380 K，在這種情況下，霍爾效應(yīng)通常會消失。這一效應(yīng)的觀測得到了理論計算的支持，可以歸因于與一維VS鏈有關(guān)的、由面內(nèi)磁場誘導(dǎo)的面外貝里曲率引起的非常規(guī)反?；魻栃?yīng)。與此同時，該工作擴(kuò)展了對超晶格的傳統(tǒng)理解，并將刺激合成更多非凡的上層建筑。

圖1. VS₂-VS超晶格的生長過程和光學(xué)圖像

圖2. VS₂-VS超晶格的原子結(jié)構(gòu)

圖3. VS₂-VS超晶格的詳細(xì)分析

圖4. VS₂-VS超晶格輸運的測量

綜上所述，研究者利用CVD方法合成了垂直疊加的VS₂-VS超晶格。STEM和截面TEM結(jié)果清楚地揭示了VS₂-VS超晶格的原子結(jié)構(gòu)，這在V-基材料中是沒有得到的。在超晶格中首次觀測到了室溫下的面內(nèi)AHE。磁場角依賴性揭示了意想不到的平面內(nèi)各向異性，這是由一維VS鏈造成的。該結(jié)果為合成超晶格和發(fā)現(xiàn)新的物理性質(zhì)開辟了一條道路。

作者簡介

周家東，北京理工大學(xué)教授。主要從事低維材料（2D）包括半導(dǎo)體材料與量子材料制備，性質(zhì)與應(yīng)用研究，使用化學(xué)、物理等手段解決半導(dǎo)體與量子材料的制備難題，并研究其半導(dǎo)體特性與鐵磁、鐵電、超導(dǎo)等新奇物理性質(zhì)，探索其在高性能電子器件和量子領(lǐng)域的應(yīng)用。具體研究內(nèi)容包含以下幾個方面：1. ?新型低維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備與性質(zhì)研究；2. ?高性能電子器件；3. ?新型低維材料的新奇物理性質(zhì)研究。

近年來以第一（包括共同第一作者）與通訊作者發(fā)表SCI 論文50 余篇，包括Nature系列論文9篇（Nature 一篇），Science Advances, Advanced Materials, Nano Letters, JACS, ACS Nano 等。并多次在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會議上做邀請報告。受邀擔(dān)任多種國際學(xué)術(shù)期刊的審稿人。同時擔(dān)任《Materials Horizons》 Community Board 與《Chinese Chemical Letters》青年編委。

姚裕貴，北京理工大學(xué)教授，長江特聘教授、杰青、北京大學(xué)量子材料中心客座教授。2011年獲得中國科學(xué)院杰出科技成就獎；2012年獲得國家杰出青年基金資助、入選長江學(xué)者特聘教授計劃；2014年入選科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃；2016年入選國家萬人計劃中的科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃；2017年獲北京市高等教育教學(xué)成果二等獎；2018年入選科睿唯安物理領(lǐng)域高被引科學(xué)家名單，同年獲得國家科學(xué)技術(shù)獎自然科學(xué)獎二等獎（第一完成人）。

研究方向為凝聚態(tài)物理、計算物理和材料物理，具體有：（1）發(fā)展基于量子力學(xué)的計算方法，研究材料中反常霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)、軌道霍爾效應(yīng)、平面霍爾效應(yīng)、熱電效應(yīng)、磁光效應(yīng)、磁阻、磁矩以及拓?fù)涞攘孔游镄?，特別關(guān)注自旋軌道耦合體系的電子結(jié)構(gòu)、貝里相位與量子物性之間的關(guān)系；在此基礎(chǔ)上將開發(fā)和設(shè)計相應(yīng)的高性能并行計算軟件包。（2）結(jié)合理論設(shè)計、計算模擬和實驗探索，研究各種新型量子功能材料（如拓?fù)浣^緣體、拓?fù)浒虢饘?、拓?fù)涑瑢?dǎo)體、二維層狀量子材料等）及相關(guān)物性；通過研究光與物質(zhì)的相互作用機(jī)理，設(shè)計出高效光能源量子轉(zhuǎn)換材料，并制備高效的光電池和光催化器件。

迄今共發(fā)表SCI論文160余篇【包括 Phy. Rev. Lett.（23篇），Phy. Rev. B/A/E/M(70余篇)，Nature子刊（5篇），影響因子>10的頂級期刊論文（10余篇）等】，在反常輸運、硅烯、石墨烯、拓?fù)洳牧吓c物性等領(lǐng)域的研究成果具有重要國際影響并被同行包括多位諾貝爾獎獲得者廣泛引用，共被SCI引用23452余次，目前每年引用2000余次，單篇最高引用2194余次，多篇論文引用超過500次，H指數(shù)66，并入選科睿唯安物理領(lǐng)域“高被引科學(xué)家”名單【物理學(xué)科 2018 年全球共 211 人】。曾在美國 APS、MRS年會等國際重要會議多次作邀請報告。承擔(dān)過多項國家基金面上項目、基金委重點項目、創(chuàng)新研究群體項目、國家重點研發(fā)計劃、973計劃和量子調(diào)控等項目。

針對材料中貝里相位效應(yīng)相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題，率先發(fā)展了反常輸運物理量與拓?fù)洳蛔兞康牡谝恍栽碛嬎惴椒ǎ⑾到y(tǒng)地應(yīng)用于反常輸運和拓?fù)湮镄缘难芯俊Ｊ堑谝恍栽硌芯糠闯］斶\現(xiàn)象的開拓者之一，關(guān)于反常輸運的部分成果被寫進(jìn)了教科書；同時引領(lǐng)了硅烯等二維拓?fù)洳牧系难芯浚岢龅睦碚撃Ｐ捅还诿?，等等。這些原創(chuàng)成果加深了人們對真實復(fù)雜材料中新奇量子現(xiàn)象的理解，加速了新量子態(tài)材料的發(fā)現(xiàn)，推動了凝聚態(tài)和計算物理相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

吳孝松，優(yōu)青，博士生導(dǎo)師，研究低維電子體系在低溫強(qiáng)磁場下的量子輸運行為，以及對這些行為的量子調(diào)控。目前主要關(guān)注二維磁性材料、二維超導(dǎo)材料，以及拓?fù)洳牧?。在Science、 Nature Nanotech.、PRL、Nature Commun.、PNAS等雜志發(fā)表論文70余篇。

劉政，南洋理工大學(xué)教授，他是二維材料的合成與應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。他的主要研究方向為新型二維材料高質(zhì)量晶體的氣相合成、表征及應(yīng)用，包括六方氮化硼（h-BN），氧化物，過渡金屬硫化物（TMD，MoS₂，WS₂，MoSe₂）等材料。他也對三元二維材料進(jìn)行了研究。劉政教授團(tuán)隊在二維材料的納米電子器件及儲能器件的制造領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)。作為二維材料研究的先驅(qū)者之一，他發(fā)表了超過數(shù)百篇學(xué)術(shù)研究論文。截止目前，總被引用文總數(shù)超過45406余次，h指數(shù)99。2012年獲得世界科技獎能源類提名。2018年入選高引科學(xué)家名單。相關(guān)工作被Science daily，Phy.org，EEE spectrum等多個知名學(xué)術(shù)網(wǎng)站報道，并被Nature Physics，Nature Nanotechnology，Chem Int Ed等期刊列為亮點。

文獻(xiàn)信息

Zhou, J., Zhang, W., Lin, YC.?et al.?Heterodimensional superlattice with in-plane?anomalous Hall effect.?Nature?609, 46–51 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05031-2

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05031-2

https://physics.bit.edu.cn/szdw/zzjzg/zg/gw_60fe0317be434390a6b2bdcd5ca90845/index.htm

http://physics.bit.edu.cn/szdw/gccrc/zjxzjq/yyg13/index.htm

https://physics.bit.edu.cn/szdw/zzjzg/zg/yyg/index.htm

https://faculty.pku.edu.cn/xswu/zh_CN/index.htm

https://www.sohu.com/a/280389731_644220

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