理工學(xué)院錢(qián)琦教授在Nature上發(fā)表文章
盡管創(chuàng)建新型異質(zhì)材料對(duì)于推進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，然而在材料組成差異和界面雜質(zhì)方面存在諸多挑戰(zhàn)。近日，香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院錢(qián)琦教授與加州大學(xué)洛杉磯分校段鑲鋒教授、黃昱教授課題組合作在Nature上發(fā)表展望文章 “Layered Hybrid Superlattices as Designable Quantum Solids”。這項(xiàng)工作提出了將原子、分子插入層狀二維原子晶體范德華間隙，構(gòu)筑層狀雜化超晶格的方法與應(yīng)用前景。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07858-3
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【期刊介紹】
Nature期刊是世界領(lǐng)先的跨學(xué)科學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)刊于1869年。每周刊登不同學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)最具開(kāi)創(chuàng)性、最前沿、最重要的學(xué)術(shù)論文，是當(dāng)前科研領(lǐng)域的風(fēng)向標(biāo)。在2023年，Nature期刊的影響因子高達(dá)50.5。
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【研究背景】
現(xiàn)代技術(shù)革命主要講述了兩種材料的故事：構(gòu)成信息技術(shù)基礎(chǔ)的固態(tài)材料和用于化學(xué)技術(shù)與醫(yī)學(xué)的合成分子系統(tǒng)。固態(tài)材料通常在高溫（例如，>1000°C）下制備，具有熱力學(xué)決定的晶體有序性，這對(duì)于其出色的電子性能至關(guān)重要，但通常定制空間有限。另一方面，合成分子系統(tǒng)通常在相對(duì)較低的溫度（例如，~100°C）下制備，顯示出豐富的結(jié)構(gòu)與功能，但通常過(guò)于脆弱，難以穩(wěn)固地集成到固態(tài)設(shè)備中。構(gòu)筑有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合系統(tǒng)，則可以利用分子的尺寸、對(duì)稱(chēng)性和功來(lái)調(diào)整固態(tài)材料。這將極大地豐富固態(tài)系統(tǒng)并使其能夠?qū)崿F(xiàn)全新的人工固體，然而，由于固有的結(jié)構(gòu)差異和迥異的加工條件，這些材料很難通過(guò)傳統(tǒng)的固態(tài)反應(yīng)或外延方法制備，成為限制有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展的全球性挑戰(zhàn)。
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【研究?jī)?nèi)容】
為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，錢(qián)琦教授團(tuán)隊(duì)提出：利用二維原子晶體可以將這兩種截然不同的材料系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)造出一種動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定、性質(zhì)可控、模塊化的新型合成固體。二維原子晶體層間是范德華間隙，允許插入各種分子而不會(huì)破壞已有的共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生豐富的層狀雜化超晶格 （LHSL）。層狀雜化超晶格具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)：（i）分子層兩側(cè)高度有序的二維晶體模板提供了強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力來(lái)引導(dǎo)分子有序排列；（ii）插層分子與二維晶體模板之間的范德華相互作用讓分子有更大的流動(dòng)性，可尋找最低能量狀態(tài)并進(jìn)行有序自組裝；（iii）二維原子晶體為分子提供了強(qiáng)大的物理保護(hù)和電子界面，從而能夠讓分子更穩(wěn)固地集成到固態(tài)設(shè)備中。最終把具有不同化學(xué)成分和量子特性的體系編織成一體化的人工固態(tài)材料 （圖1）。
圖1 多樣層狀雜化超晶格
盡管有機(jī)分子被認(rèn)為與經(jīng)典的、需要超潔凈環(huán)境的量子物理不兼容，但是不同拓?fù)湎到y(tǒng)的穩(wěn)健性已證明其高度缺陷容忍特性。通過(guò)合理的分子設(shè)計(jì)和多功能集成策略，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化系統(tǒng)可以將分子復(fù)雜性引入固態(tài)體系，同時(shí)具有豐富的量子特性和穩(wěn)定的固態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)和利用非常規(guī)電子態(tài)。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)在不同層狀雜化超晶格體系中觀(guān)測(cè)到了包括可控能隙、強(qiáng)二次諧波生成、手性自旋選擇效應(yīng)、非常規(guī)超導(dǎo)等在內(nèi)的獨(dú)特量子現(xiàn)象，并有望在高溫磁性半導(dǎo)體材料、鐵電Rashba半導(dǎo)體材料、室溫激子體系的開(kāi)發(fā)和物性研究上取得突破（圖2）。
圖2 關(guān)于層狀雜化超晶格的量子特性研究
另一方面，自組裝分子層在x-y維度上提供了二維人工勢(shì)壘，交替的二維原子晶體與分子層提供了z軸方向的勢(shì)壘變化。因此，復(fù)合超晶格是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)三維人工勢(shì)壘調(diào)控的平臺(tái)（圖3）。鑒于在具有一維人工勢(shì)壘調(diào)控的材料（半導(dǎo)體超晶格中的二維電子氣、量子級(jí)聯(lián)激光器和高電子遷移率晶體管）或二維人工勢(shì)壘調(diào)控的材料（可調(diào)電子-電子關(guān)聯(lián)、平帶結(jié)構(gòu)、非常規(guī)超導(dǎo)性和二維莫爾超晶格中的Hofstadter蝴蝶）中觀(guān)測(cè)到的許多奇異現(xiàn)象以及實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特器件，我們對(duì)具有三維人工勢(shì)壘調(diào)控潛力的層狀雜化超晶格充滿(mǎn)期待。此外，通過(guò)創(chuàng)新的插層手段，層狀雜化超晶格系統(tǒng)有望構(gòu)筑三維摩爾超晶格體系，并通過(guò)使用金屬有機(jī)骨架(MOF) 和共價(jià)有機(jī)骨架(COF) 材料創(chuàng)建更加豐富的結(jié)構(gòu)，如Kitaev honeycomb 晶格或Kagome晶格。層狀雜化超晶格利用多樣化的分子結(jié)構(gòu)來(lái)周期性地調(diào)控相鄰二維系統(tǒng)的介電環(huán)境或靜電勢(shì)壘，從而實(shí)現(xiàn)天然原子晶格或莫爾超晶格無(wú)法達(dá)到的調(diào)控范圍，并獲得其他方法難以實(shí)現(xiàn)的奇異量子特性。
系統(tǒng)地研究復(fù)合超晶格可能會(huì)孕育變革性的技術(shù)，包括用于更高能效的電子器件、自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋發(fā)光二極管以及其他多種量子器件。考慮到當(dāng)今半導(dǎo)體技術(shù)僅通過(guò)有限的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格就能產(chǎn)生豐富的電子功能，這種具有近乎無(wú)限組合可能的復(fù)合超晶格將帶來(lái)不可限量的機(jī)會(huì)。
圖3 層狀雜化超晶格中的三維人工勢(shì)壘
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【作者簡(jiǎn)介】
理工學(xué)院錢(qián)琦教授為本文共同第一作者。
錢(qián)琦，現(xiàn)任香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院助理教授, 博士生導(dǎo)師。本科畢業(yè)于吉林大學(xué)，博士畢業(yè)于普渡大學(xué)，師從Michael Manfra教授，隨后在加州大學(xué)洛杉磯分校從事博士后研究，師從段鑲鋒教授。近年來(lái)，錢(qián)琦教授在新型量子材料與器件、光電功能器件的構(gòu)筑及輸運(yùn)性質(zhì)研究領(lǐng)域取得了一系列突破性成果，以第一作者及通訊作者身份發(fā)表論文十余篇，包括Nature（2篇），Nature Nanotechnology（2篇），Nature Communications等。錢(qián)琦教授曾獲得《麻省理工科技評(píng)論》亞太區(qū)“35歲以下科技創(chuàng)新35人”、美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)博士后成就獎(jiǎng)、加州大學(xué)校長(zhǎng)博士后獎(jiǎng)提名、Lark-Horovitz物理學(xué)獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。?
因課題組發(fā)展需要，誠(chéng)聘博士后科研人員若干名。同時(shí)歡迎對(duì)本課題組研究方向感興趣的本科生和碩士生攻讀本組研究生。
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供稿 | 錢(qián)琦教授團(tuán)隊(duì)
