二维材料因其独特的单分子层晶体结构，展现出独特的物理特性和远超传统三维材料的应用潜力，受到广泛关注和深入研究。其另一显著优势在于范德华界面特性，能够无需晶格匹配便将不同晶体组装在一起。这种特性使研究人员能够构建自然界中不存在的人工晶体，进而实现特定性能和全新的物理现象。例如，层间转角的存在可在二维材料中形成周期性的莫尔条纹，从而产生独特的电子和光学特性。
尽管二维材料在面内的周期性结构已被广泛研究，厚层二维材料中的垂直方向周期性结构却仍未得到充分探索。构建具有原子级精度的垂直超晶格，对于揭示新物理现象和实现多功能应用具有巨大潜力。然而，构筑垂直周期性晶体面临诸多挑战。当前，人工二维晶体的组装受限于原材料的微米尺寸或者多晶性。且人工组装晶体均为二维晶体，难以集成三维材料以提供更多设计上的自由度。为充分挖掘纵向周期性结构在调控晶体性能方面的潜力，人工组装三维晶体的制造技术仍是亟待解决的问题。
西湖大学工学院孔玮实验室提出了一种新型的人工三维晶体的组装方案，首次实现了二维，三维材料交替分布的周期性人工三维功能晶体。为未来人工功能晶体的设计和制造提供了关键思路。相关工作以“3D Crystal Construction by Single-Crystal 2D Material Supercell Multiplying”为题发表于Advanced Science。
图1 超晶胞倍增法
本研究结合传统金属辅助剥离法与聚二甲基硅氧烷（PDMS）转移技术，开发了一种高效快速制造纵向周期性晶体的超晶胞倍增方案。具体而言，首先在PDMS薄膜上完成多层二维材料的堆叠，然后利用激光切割技术对二维材料及PDMS薄膜进行裁切，并依次将PDMS薄膜上的二维材料重复堆叠，实现快速的纵向堆叠过程。以单层单晶二硫化钼为原材料，人工组装出厚度达150纳米的单晶二硫化钼薄膜，为高厚度纵向周期性晶体的构筑提供了一种高效解决方案，同时为进一步的人工三维晶体的组装提供了技术基础。
图2 200层人工组装单晶二硫化钼晶体的表征
图3 氧化物薄膜的剥离与组装
为进行三维晶体的组装，本研究开发了氧化物薄膜的组装方法，使得各类氧化物薄膜能够成为人工晶体构造的原材料之一。利用氧化物薄膜和二维材料之间较弱的范德华界面，实现了氧化物薄膜的剥离和后续的组装，将氧化物薄膜纳入了人工组装晶体的原材料中。
图4 人工组装周期性非线性光学晶体
通过对氧化物薄膜和二维材料的组装，本研究创造了一种氧化物薄膜和二维材料交替分布的周期性人工三维光学晶体，能够实现二次谐波的相位匹配，从而产生高强度二次谐波。相对于单层二硫化钼，该人工三维工晶体实现了573倍的二次谐波增强。
本文亮点
- 实现了人工组装晶体的高通量制造，基于单层单晶二硫化物，人工构筑了150纳米厚的200层单晶二硫化钼薄膜，远高于此前文献报道中的单晶大面积堆叠最高纪录，5层。
- 设计并制造了新型的非线性人工组装三维晶体，实现了二维谐波的相位匹配，相较于单层二硫化钼，该人工三维晶体实现了573倍的二次谐波增强，在相同实验条件下，为文献报道中的最高数值。
- 将氧化物薄膜纳入人工组装晶体的原材料库中，为人工组装晶体的结构设计提供了新的自由度，推进新型人工组装功能晶体在光学，热学，电学领域中的功能设计和应用。
本研究的第一作者为西湖大学-浙江大学联合培养博士生李文浩。西湖大学工学院特聘研究员孔玮为本研究通讯作者。该工作得到了西湖大学未来产业研究中心和西湖教育基金的资助支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202411656
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