AFM：西湖大學(xué)工學(xué)院孔瑋團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)大面積TMDCs的手性組裝

西湖大學(xué)工學(xué)院孔瑋團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于范德華力的快速解耦和重組集成方案，成功實(shí)現(xiàn)了多種二維（2D）過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDCs）的大面積逐層轉(zhuǎn)移與組裝。這一人工組裝手段可實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)角控制，進(jìn)而構(gòu)建多層轉(zhuǎn)角TMDCs。最終，研究團(tuán)隊(duì)成功以非手性TMDCs材料為單體，通過(guò)人工集成得到具有螺旋手性的2D薄膜。該工作不僅開發(fā)了一種高效的大面積2D材料潔凈堆疊方法，而且展示了人工集成工程在創(chuàng)造新結(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)新性質(zhì)方面的巨大潛力。相關(guān)工作以“Van der Waals Assembly of Multilayer Twisted Transition Metal Dichalcogenides with Controllable Chirality”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。

二維（2D）過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔铮═MDCs）莫爾超晶格因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)備受關(guān)注。研究表明，莫爾TMDCs的性質(zhì)不僅取決于扭轉(zhuǎn)角度，還與層數(shù)密切相關(guān)。多層轉(zhuǎn)角TMDCs體系由于復(fù)雜的層間耦合作用，往往展現(xiàn)出新穎的特性。盡管TMDCs本身不具有手性，但通過(guò)螺旋生長(zhǎng)或扭轉(zhuǎn)堆疊，理論上可誘導(dǎo)出手性特征，且該性質(zhì)可通過(guò)轉(zhuǎn)角和層數(shù)調(diào)控。然而，二維材料的螺旋手性組裝仍面臨三大挑戰(zhàn)：轉(zhuǎn)角的精確控制、大面積手性均勻性的保持，以及多層系統(tǒng)復(fù)雜耦合機(jī)制的理解。雖然化學(xué)氣相沉積可制備扭曲雙層MoS?，但多層扭曲TMDCs仍需依賴人工堆疊。傳統(tǒng)堆疊方法效率低且易引入有機(jī)殘留，阻礙了多層轉(zhuǎn)角體系的構(gòu)建及其構(gòu)效關(guān)系的精準(zhǔn)研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于范德華力（vdW）的快速解耦與重組策略，實(shí)現(xiàn)了多層TMDCs同質(zhì)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的高效逐層組裝。該方法消除了層間有機(jī)污染，確保了清潔的2D界面。解耦與復(fù)合過(guò)程自發(fā)且動(dòng)態(tài)，大幅提高了組裝效率。此外，該方法可精確調(diào)控扭轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而有效調(diào)控轉(zhuǎn)角TMDCs的手性，并揭示轉(zhuǎn)角和層數(shù)對(duì)2D手性的影響。該研究不僅為多層轉(zhuǎn)角TMDCs的精確制備提供了可靠方法，也為這一體系的構(gòu)效關(guān)系研究建立了新范式。

圖1. vdW相互作用解耦/重組策略用于大面積MoS2薄膜的逐層組裝

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了范德華力的解耦和重組方案，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石襯底表面MoS2薄膜的快速轉(zhuǎn)移和堆疊。當(dāng)PDMS-MoS2-藍(lán)寶石放入水中時(shí)，水分子會(huì)插入MoS2/藍(lán)寶石界面，使γ3解耦并弱化為γ1，從而將MoS2轉(zhuǎn)移到PDMS表面（γ1< γ2）。當(dāng)PDMS/MoS2重新貼合到新的MoS2/Al2O3上時(shí)，雙層（2L）MoS2之間的范德華力γ4迅速形成，這一范德華力比MoS2與PDMS和Al2O3之間的結(jié)合力都強(qiáng)（γ2< γ3< γ4）。當(dāng)PDMS-2L MoS2-藍(lán)寶石放入水中時(shí)，γ3再次解耦并弱化為γ1，從而將2L MoS2轉(zhuǎn)移到PDMS表面（γ1< γ2< γ4）。如果重復(fù)進(jìn)行上述vdW界面的解耦和重組，將會(huì)在獲得多層MoS2。這一范德華力輔助的轉(zhuǎn)移策略，不僅避免了傳統(tǒng)多層組裝方案中PDMS多次釋放造成的界面污染，更極大地提高了組裝效率。

圖2.多層TMDCs異質(zhì)結(jié)集成

這一范德華集成工藝兼容藍(lán)寶石襯底上其他TMDCs材料如MoSe2和WS2的異質(zhì)堆疊，并且可以實(shí)現(xiàn)高分辨的圖案化集成。Raman光譜、截面HAADF-STEM圖像及其能量色散X射線能譜（EDX）清楚地反映了異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性及表面潔凈性。這種系統(tǒng)的方法能夠精確制造具有定制幾何形狀的復(fù)雜2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)，有望推進(jìn)二維材料在柔性光電子學(xué)和量子集成器件中的應(yīng)用。

圖3.轉(zhuǎn)角多層MoS2的角度控制

由于生長(zhǎng)的晶圓級(jí)TMDCs為單晶的，因此支持“直邊對(duì)準(zhǔn)”的策略進(jìn)行角度控制。在該方法中，首先將單晶MoS2/Al2O3晶圓切割成標(biāo)準(zhǔn)小片，其邊緣可作為參考直邊，進(jìn)行角度控制。通過(guò)樣品邊緣測(cè)量的夾角和選區(qū)電子衍射（SAED）測(cè)得的夾角保持一致，反映了角度控制工藝的可靠性。更重要的是，這一角度控制方案適用于多層組裝的層間角度控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多層轉(zhuǎn)角TMDCs體系構(gòu)效關(guān)系的探索和厘清。

圖4.轉(zhuǎn)角多層TMDCs的手性控制及其構(gòu)效關(guān)系。

將兩層MoS2按照一定轉(zhuǎn)角θ堆疊，當(dāng)下層材料固定不動(dòng)，上層材料逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)堆疊和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)堆疊的結(jié)構(gòu)呈鏡面對(duì)稱，但是在空間內(nèi)無(wú)法完全重合。這使得這兩組轉(zhuǎn)角堆疊的結(jié)構(gòu)如同人的左右手，無(wú)法完全重合，產(chǎn)生螺旋手性，分別對(duì)應(yīng)左旋（L）手性和右旋（R）手性。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)左旋20°和右旋20°的轉(zhuǎn)角MoS2樣品的圓二色（CD）信號(hào)大小相等，方向相反。這一結(jié)果證明了通過(guò)非手性TMDCs單晶的轉(zhuǎn)角堆疊，可以構(gòu)建具有圓偏振活性的TMDCs薄膜。進(jìn)一步地，通過(guò)角度的層數(shù)的控制，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)手性信號(hào)隨轉(zhuǎn)角遵循在正弦函數(shù)變化，而隨層數(shù)呈線性增強(qiáng)變化。

本文亮點(diǎn)：

1. 發(fā)展了一種基于范德華力解耦與重組的多層TMDCs集成方案，為大面積多層TMDCs的高效潔凈組裝提供了可靠的技術(shù)手段。
2. 這一范德華組裝方案兼容多種TMDCs材料的圖案化集成，并且只支持層間角度的精準(zhǔn)控制。
3. 通過(guò)非手性TMDCs單體的人工集成，制造出具有明確手性的TMDCs薄膜，并且清晰地厘清了轉(zhuǎn)角多層TMDCs的手性與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

本研究的第一作者為西湖大學(xué)工學(xué)院博士生沈繼闖。西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員孔瑋、博士生沈繼闖為本研究通訊作者。該工作得到了西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心和西湖教育基金的資助支持。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202504859