极端制造 | 扭转二维材料莫尔结构的制备策略与前沿进展

文章导读

在二维材料莫尔结构因其奇异量子现象而备受关注的背景下，如何实现扭转角度的精确可控制备成为核心挑战。近期，西湖大学孔玮课题组在SCI期刊《极端制造（英文）》上发表了题为《扭转二维材料莫尔结构的制备策略与前沿进展》的综述文章。该文系统阐述了通过直接生长与人工堆垛构建扭转结构的方法，重点剖析了精准控角策略、超洁净转移与动态扭转技术等前沿进展。作者进一步提出了探索低对称性材料系统、发展精准可控的制备技术以及开发动态原位调控方法等关键的未来研究方向，对于深化二维量子材料的物性理解与推动其在新一代器件中的应用具有重要指导意义。

图文摘要

图文解析

图1展示了扭转二维材料莫尔结构制备技术的里程碑进展时间轴。自1988年在高取向热解石墨（HOPG）表面通过扫描隧道显微镜（STM）首次观察到由石墨烯层间旋转堆叠形成的莫尔图案以来，扭转二维材料的研究已走过了三十余年的发展历程。本文综述了近年来扭转二维材料莫尔结构的研究进展，并对其结构设计原理、新奇物性起源及核心制备技术进行了系统阐述。

图1 扭转二维材料莫尔结构的制备技术发展历程。

图2概述了莫尔超晶格的拓扑形貌如何由原始二维材料的晶系“写入”：六方晶系材料（如石墨烯、h-BN、TMDCs 等）扭转堆叠后通常形成六角莫尔图案，并出现 AA、AB、BA 等高对称堆叠区域；这些区域的层间耦合强弱不同，会引发局域态密度与能带结构的空间调制，从而奠定扭转双层石墨烯与扭转 TMDC 双层中一系列独特电子态与激子势阱的物理基础。相比之下，正交晶系材料（如黑磷、MoO₃、CrOCl）在特定扭转角下不仅可形成矩形莫尔图案，还可能演化出条纹状莫尔结构，并产生 AA、AA′、AB、BA 四类高对称中心。更值得关注的是，当异质结由不同晶系材料组成（例如六方石墨烯/正交黑磷）时，莫尔形貌会随扭转角呈现从二维到一维条纹的可调演化，为光、电、磁与力等多物理量的各向异性调控提供了新的结构平台。

图2 不同扭转堆叠角下的莫尔超晶格。

图3概述了扭转二维异质/同质结构的CVD制备路线由“两步生长的自发对齐”向“成核与输运的可编程调控”演进。传统两步生长先制备第一层、再外延第二层，受晶体对称性与堆叠能驱动，六方材料体系多自发锁定在 0°/30°/60°等低能取向，因而难以获得指定扭转角。近年来通过盐辅助受限空间、气流扰动等策略，研究者实现了 t-MoS₂ 等任意扭转角结构的直接合成并提升角度覆盖与产率；同时，前驱体调控的二次成核方法也将扭转生长拓展至 BiOCl 等非六方晶系，标志着扭转角工程正在从“能量最小化对齐”迈向“机制驱动的可控构筑”。

图3 采用化学气相沉积（CVD）方法制备的 t-BLG 以外二维莫尔结构。

图4概括了扭转莫尔结构的洁净转移与组装路线。转移本质上是“剥离—按角度贴合—去除介质”的顺序堆叠流程，不同介质会直接决定界面残留、缺陷与应力均匀性。按转移介质可分为三类：聚合物辅助湿转移（PMMA/PDMS 等，适合大面积但易残胶、起皱起泡）、金属辅助半干转移（Au/Ag 等，对 TMDC 有效且可真空兼容，但可能引入金属/蚀刻杂质）、以及二维材料辅助纯干/范德华拾取（h-BN 拾取，界面最洁净并适合空气敏感材料，但受限于 h-BN 尺寸难以放大）。

图4 二维材料转移与扭转组装方法示意图。

图5展示了二维莫尔超晶格在“转移—组装”阶段对扭转角 θ 的精确控制思路与代表性实现。核心内容是：为获得目标 θ，人们通常采用两类对准策略——其一以晶体边界或人为刻线作为参照，通过几何对齐（并可结合 SHG 等取向识别）来确定层间相对取向；其二为“撕裂—旋转—回贴”的自对准堆叠，利用同一晶片内部取向一致性，通过设定旋转角直接获得高精度扭转同质双层。

图5 用于扭转角控制的对准方法。

转移/堆叠法可灵活构筑多种莫尔超晶格并具备放大潜力，但难以实现扭转角 θ 的实时可调。为此，发展出两类动态调控策略：原位旋转与原位折叠。原位旋转利用范德华层间超低摩擦，在外力（如 AFM 推动、面内弯折）作用下促使片层平移/转动以降低堆叠能，从而连续调节 θ；原位折叠则通过 STM/AFM 进行“二维折纸”，将单层局域折叠成双层以获得可调 θ 的双层结构并直接形成莫尔图案。鉴于探针操控尺度小、门槛高，近期又出现基于“撕裂-堆叠”的宏观原位旋转与 MEMS 平台（电压驱动扭转/加压），实现更精确、可集成的 θ 动态调谐，为探索莫尔结构—性能关系提供新工具。

图6 原位控制转角技术。

总结与展望

扭转莫尔超晶格已成为探索二维新奇物性的核心平台，但仍面临三类关键挑战：其一，研究长期集中于六方高对称体系，低对称与跨晶系堆叠稀缺，而对称性破缺恰是调控拓扑态、光电响应与偏振的重要抓手；其二，直接生长虽具洁净界面优势，却受材料对称性与热力学平衡限制，难以获得目标扭角，且扭转异质结与大面积生长仍待突破；其三，人工堆叠兼容性强但易污染与损伤，真空干转移与可原位调扭技术有望实现超洁净界面与实时调控。未来结合 AI/大数据进行结构—扭角—性能预测，将加速发现新的“魔角”与功能器件窗口。

作者与团队简介

孔玮，西湖大学工学院特聘研究员，中山大学物理学专业获学士，杜克大学电子工程系获博士，2016-2020年在麻省理工学院机械工程系从事博士后研究，壳牌能源学者，2020年9月全职加入西湖大学工学院。孔玮博士曾以第一作者或通信作者身份在Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology，Advanced Materials, Science advance, Nano Lett.等期刊发表论文，成果得到Semiconductor Today, Science Daily, phys.org, MIT News等多家专业媒体报道。

先进固态半导体实验室主要围绕新型高性能半导体材料的合成与加工开展研究，并探索其在电子与光电器件中的应用。近期研究重点聚焦于单晶超薄半导体材料的构筑与可控制备，包括二维材料（如石墨烯、hBN 及过渡金属硫族化合物 TMDCs）以及可自支撑的 III–V 氮化物与 III–VI 氧化物薄膜/膜层体系。我们致力于建立异质薄膜半导体材料的异质集成通用平台，实现不同材料体系在同一器件架构中的协同耦合与功能互补，以满足物联网、人工智能与人机交互等新兴应用对多功能集成的需求。

作者：沈继闯，陈涵，李文浩，季琛，孔玮，朱华泽

机构：浙江大学，西湖大学

Citaion：Shen J C, Chen H, Li W H, Ji C, Zhu H Z, Kong W. 2026. A review of the fabrication of twisted two-dimensional material moiré structures. Int. J. Extrem. Manuf. 8 032007.

文章链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae35e9