研究背景
vdW异质结构是由一系列二维晶体层通过弱vdW力相互堆叠而成的三维结构。这种结构的独特之处在于，这些vdW力相对较弱，容易被机械力克服，因此可以将不同vdW材料的单层分离出来进行研究。这种新颖的材料体系引起了广泛的关注，因为它们具有许多独特的物理、化学和机械性质。然而，尽管对于单层二维材料的研究已经十分深入，但对于vdW异质结构的研究仍然处于相对早期的阶段。这是因为这些结构中存在着许多复杂的相互作用和调控参数，我们尚未完全理解其影响。
在这个背景下，安德烈·盖姆和伊琳娜·格里戈列娃在2013年提出了一种新颖的材料设计策略，即通过像乐高积木一样堆叠vdW层，来创建新的材料结构。他们的工作引发了人们对于如何利用这种新型材料体系进行设计和应用的兴趣。然而，尽管已经取得了一些进展，但目前对于如何有效地控制vdW异质结构中的层间相互作用和杂化还存在许多问题。这些问题包括如何精确地调节层间耦合强度，以及如何利用这种耦合来实现特定的物理和化学性质。
研究内容
因此，美国劳伦斯伯克利国家实验室Archana Raja教授等人在Nature Reviews Materials上发表综述文章“Engineering interlayer hybridization in van der Waals bilayers” 。本综述旨在系统地讨论层间杂化的各种效应，并提出如何在设备设计中利用这些效应的建议。通过深入探讨实验上可用的各种控制手段以及不同电子层杂化强度下可以设计的各种光电应用，本综述试图填补目前研究中的一些空白，并为vdW材料的应用和设计提供指导。
图文导读
图1显示了如何调节van der Waals双层中的电子杂化。在图1a中，左侧示意图展示了层间杂化导致的能级分裂，右侧展示了黑磷双层的带顶的电荷密度分布，说明了杂化现象。图1b展示了电场对双层中的电子态的影响，电场可以通过重新排列能级来促进层间的杂化。图1c说明了插层的三种类型，插层可以引入电荷、修改层间间隔或为磁性或电荷掺杂提供额外的轨道。图1d突出了通过材料选择、扭曲角度和机械应变等调节参数，影响层间杂化的三种因素：动量失配、层间间隔和局部应变。这些调节参数可以通过影响杂化程度来改变双层的电子结构和性质。通过电场、插层和层叠工程等手段，研究者可以实现对双层材料电子结构的调节，从而为设计新型器件提供了理论和实验基础。这些研究为理解和利用vdW双层中的电子杂化效应提供了重要的见解，为材料科学和纳米器件设计开辟了新的研究方向。
图 1 | 范德瓦尔斯双层中的调谐电子杂化。
研究者旨在工程化van der Waals（vdW）双层的光电性能和热传输特性。图2显示了半导体vdW双层的性质，可以通过电子杂化调节。在TMDC双层中，电子态的混合导致IX和X态的形成。通过电场调节电子杂化程度，可以调控动量直接或间接的混合激子（hXs）的性质。hXs具有优化的静态电偶极、共振能量和振荡强度，可用于电光调制等应用。
图 2 | 电子杂化可调的半导体范德华双层性质。
图3则展示了在vdW双层中控制声子杂化以调节热传输的努力。在扭曲的TMDC双层中，低频声子混合称为“phasons”，这些phasons可以影响声子能量传输。通过调整双层之间的相对位移，可以实现vdW双层的超低热传导。此外，电子和激子的杂化对热传输也有影响，例如在TMDC异质双层中，杂化态介导了超快的电荷转移，导致快速的热传导。这些研究为设计新型光电器件和热管理技术提供了关键见解。通过电子杂化，可以优化vdW双层的光学和电学性质，为光电器件的开发提供了新的可能性。而通过声子杂化的调节，可以实现vdW材料的超低热传导，有望用于热管理和热电能转换技术。
图 3 | 范德瓦尔斯双层中的声子和热输运。
总结展望
本文深入探讨了双层van der Waals（vdW）系统的复杂相互作用以及调节参数对其性质的影响，为我们提供了深刻的科学启示。首先，通过研究双层系统中的电子混合化，我们理解了不同层间相互作用如何影响激子的性质，为设计光学和电子器件提供了新的思路。其次，对声子混合化的研究揭示了在调节热传输方面的潜在机制，为热管理和热电能转换提供了新的理论基础。进一步，通过开发新的计算方法和实验技术，我们能够更好地预测和探索vdW双层系统的性质，为材料设计和器件制造提供了重要支持。
此外，对双层系统中的多种调节参数的综合考虑和工程设计展示了在实际应用中如何优化材料性能，为开发新型功能材料和器件提供了指导。最后，混合维度界面和多层体系的研究为探索新型量子现象和工程定制功能打开了新的可能性，促进了材料科学和纳米技术领域的发展。因此，本文通过对vdW双层系统的深入研究，为未来的材料设计、器件制造和应用提供了重要的科学启示。
该工作发表在Nature Reviews Materials上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41578-024-00666-1
本文来自低维材料前沿，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
