中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-023）——具有室温面内反常霍尔效应的异维超晶格结构

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工作简介

         ——具有室温面内反常霍尔效应的异维超晶格结构

自1970年超晶格被提出以来，超晶格因其独特结构特点带来的新奇电学、光学以及磁学性质使其在电子器件、光电器件、磁存储等领域展现出广阔的应用前景。一般而言，常见超晶格结构主要由相同维度的晶体结构组成 (如3D-3D、2D-2D以及1D-1D超晶格)。近年来，二维材料的发展使得超晶格家族更加丰富，包括范德华异质结、moiré超晶格及电化学插层化合物：如六方氮化硼/石墨烯超晶格、转角石墨烯moiré超晶格、[(GeTe)_x/ (Sb₂Te₃)_y]_n混合型超晶格、有机分子 (十六烷基三甲基溴化铵) 插层黑磷或二硫化钼超晶格以及本征原子插层晶体 (包括Nb基和V基超晶格) 和二维超晶格MnBi₂Te₄系列等。这些超晶格结构展现出的超导性、铁磁性和拓扑性等特性，极大的丰富了凝聚态物理的研究并有望应用于新型量子自旋电子器件。然而，从结构上来讲，当前已报道的超晶格主要为结构或者维度相同的物质结合而成 (3D-3D、2D-2D和1D-1D超晶格)。另一方面，这些超晶格结构大多是通过MBE外延生长或利用机械剥离二维材料进行人工堆叠所获得。利用不同维度的不同物质直接构筑制备超晶格结构是过去50年间的一大研究空白。实现构建不同维度的二维(或三维)/一维超晶格结构将极大的推动该领域的发展。

有鉴于此，近日，北京理工大学周家东教授、姚裕贵教授和日本大阪大学Kazu Suenaga教授、北京大学吴孝松研究员、南洋理工大学刘政教授等合作开创性的利用一步化学气相沉积法 (CVD) 首次构筑出不同维度的异维超晶格结构。该异维超晶格结构是由二维层状二硫化钒 (VS₂)和一维链状硫化钒 (VS)的阵列所构成的周期结构，属于单斜对称的C2/m空间群，该异维超晶格 (VS₂-VS)展现出室温面内反常霍尔效应。该工作为构建不同维度超晶格结构，探索凝聚态物理新奇物性开辟了一条新的道路。

钒基材料中，常规的VS₂和V₅S₈结构可以比较容易通过CVD法制备。该实验通过控制生长条件 (生长温度，时间和硫的供给量)，采用熔盐辅助CVD法合成了VS₂-VS超晶格，生长过程如图1(a)所示。通过控制硫的温度，在高温、短时间 (小于2分钟) 内得到了VS₂-VS超晶格。在低温 (低于730 ℃)、长时间 (超过3分钟) 下得到VS₂薄片。当V₂O₅: KI反应前驱体比例大于5 : 1时，合成的VS₂-VS超晶格光学图像如图1(b)所示。通过拉曼光谱测试发现VS₂-VS超晶格的拉曼振动特性，包含四个主峰：分别位于90 cm⁻¹、225 cm⁻¹、345 cm⁻¹和455 cm⁻¹，如图1(c)所示，这与VS₂的拉曼光谱完全不同。为了说明V在超晶格中的价态，对样品进行X射线光电子能谱 (XPS) 分析，结果如图1(e)所示。V⁴⁺和V²⁺同时存在于超晶格中，这意味着V-S键的形成。

图1. VS₂-VS超晶格生长过程和光学图像。a, VS₂-VS的生长过程。b, VS₂-VS超晶格薄片的光学图像。c, 不同厚度的VS₂-VS超晶格的拉曼光谱。d, VS₂-VS中SHG强度随角度的变化曲线。e, VS₂-VS超晶格中V 2p 的XPS光谱。

为了确定超晶格的原子结构，该实验对样品进行描透射电子显微镜 (STEM) 和横断面环形暗场显微影像（ADF）测量。图2(a)、(b)分别从俯视图和侧视图展示VS₂-VS超晶格原子模型结构。VS₂单层呈现出1T相，其中V原子和S原子以八面体配位排列。VS链是一种在VS₂层间的一维结构，形成一个较大的 (1×3) 单胞，其中V原子与S原子呈三角金字塔配位。VS₂-VS超晶格属于具有C2/m空间群的单斜晶系，其中单胞的晶格参数为a = 9.69 Å, b= 3.23 Å, c = 8.60 Å, α = 90°, β = 101°和γ = 60°。VS₂层的堆叠顺序并不是常见的1T相，而是插入VS链的3R (菱形) 相。图2(c)、2(d)展示了VS₂-VS超晶格的截面ADF图，原子结构与图2(a)、(b)所示的原子模型相匹配。

图2. VS₂-VS 超晶格的原子结构。a, VS₂-VS超晶格的俯视图原子模型。b, VS₂-VS超晶格的侧视图原子模型。c, VS₂-VS超晶格的横截面 ADF 图像。d, c中白色矩形的放大 ADF 图像，与原子模型结构一致。

图3(a)是超晶格低倍彩色ADF俯视图，通过对比可容易分辨出层数。图3(b)显示薄层的ADF图像，VS结构暴露在表面时并不稳定。因此，稳定的薄层是一个VS层插层在两层VS₂之间。图3b所示的傅里叶变换 (FFT) 图揭示了超晶格的结构信息，VS₂层和VS层的超晶格点阵分别由 (1×1)和 (1×1/3)点阵组成。图3(c)、(d)分别给出了薄层的VS₂-VS超晶格的放大ADF图，相应的模拟结果与实验测量结果相一致。该工作进一步利用电子能量损失光谱 (EELS) 研究了钒在VS₂和VS链中的价键状态。图3(e)显示了2VS₂ + 1VS超晶格的ADF图。沿着图3(e)中的绿线对7条VS链进行EELS线扫描如图3(f)所示。青色光谱的V⁴⁺和橙色光谱的V²⁺证明了VS₂-VS包含4+和2+的V，进一步证实了实验提出的原子结构模型。

图3. VS₂-VS超晶格的原子结构。a, 超晶格的彩色低倍ADF图。b，超晶格最薄区域原子分辨率ADF图。c, d, 放大的超晶格ADF图及相应模拟图。e, 2VS₂ + 1VS的ADF图，其中有区域暴露出单层VS₂。f，EELS 2D光谱图，取沿e图中绿色的线扫描。橙色和青色箭头分别指向VS₂ + VS和VS₂。g, VS₂ + VS（橙色光谱）和VS₂（青色光谱）钒 L 边缘的 EELS 光谱。

物质的组成和结构决定了物质的性质。由于奇异的1D VS链存在，且与2D VS₂相互耦合，使得2D-1D (VS₂-VS) 异维超结构表现出完全不同于VS₂、V₅S₈等结构的室温面内大反常霍尔效应。图4展示了150 K下，磁场沿着不同方向时测得的霍尔电阻率ρ_xy：磁场垂直于衬底时 (B||z) 可以观测到面外霍尔效应；当磁场在面内B||y时，没有观测到霍尔效应。惊奇的是，当面内的磁场B||x时，该结构展现出霍尔效应，甚至大于面外霍尔效应，这种区别于常规洛伦兹力导致的，面内磁场引起的非常规霍尔效应，这里称之为面内霍尔效应 (IPHE)。值得一提的是，这里的面内霍尔效应不同于之前研究中所提到的平面霍尔效应 (Planar Hall Effect)，来源于霍尔电导的反对称分量，因此本质上是无耗散的。此外由于在面内磁场的构型下，洛伦兹力不贡献霍尔效应，因此该效应实质上是一种面内的反常霍尔效应。

如图4(b)所示，不同温度下的输运实验进一步表明，IPHE在室温下仍然存在 (实验最高温度为380 K)。在室温时，IPHE的霍尔系数为0.44 × 10⁻³ cm³ C⁻¹，仍然比面外霍尔效应大。图4(c)展示了面内霍尔电导率随温度呈指数衰减，据此可得出约8 meV 的带隙。角度依赖的霍尔效应研究如图4d-f所示。当磁场在z-y面内旋转时，由于存在面外磁场分量，而面内分量B||y不贡献，与通常的霍尔效应一样，霍尔电阻率呈现出正弦曲线。当磁场在x-y面内旋转时，霍尔电阻率在B||x时最大，在B||y时消失，整体也呈现出简单的正弦曲线。当磁场在z-x面内旋转时，结果显示为相移后的正弦曲线，它可以被准确的分解为面内霍尔效应和面外霍尔效应。这些角度依赖的霍尔输运结果表明，IPHE只正比于磁场在x方向的投影。

图4. VS₂-VS超晶格输运测量。a, 在 T = 150 K时沿不同方向磁场下的霍尔电阻率。b,不同温度下面内霍尔电阻率。c, 面内霍尔电导率与温度的对应关系。d-f, 在 B = 7 T 时，超晶格在 (d) x-y、(e) y-z和 (f)x-z平面中的霍尔电阻率随角度的变化。

为进一步理解该奇特结构表现出面内反常霍尔效应的内在机制，文章基于对称性分析定性地描述这种奇特的霍尔输运现象的原因。因VS₂-VS超晶格属于C2/m 空间群，具有面内方向的滑移镜面对称性 (y方向的滑移镜面)。所以，当磁场沿着y方向时，y方向的滑移镜面仍然被保持，霍尔效应消失。然而当面内磁场存在垂直与y方向的分量时，该对称性被破坏，可以实现面内反常霍尔效应。为了进一步揭示IPHE的起源，文章中对VS₂-VS超晶格体系进行了第一性原理的计算。计算结果表明，面内的磁场可以在该体系的费米面附近诱导出很大的面外贝里曲率，从而导致IPHE。理论计算的结果进一步佐证了实验上所观测到的面内反常霍尔效应。该项结果突破了反常霍尔效应需要有面外磁化的常规认识，展示了异维超晶格中通过面内磁化诱发面外贝里曲率，继而产生面外霍尔效应的现象。

该工作首次利用CVD法成功制备了一种由不同维度物质组成的异维超晶格结构VS₂-VS，并在该超晶格结构中首次观测到了室温下面内反常霍尔效应。本文的研究工作不仅实现了不同维度超晶格结构的合成，开拓了超晶格体系，更进一步观测到基于该体系的面内大反常霍尔效应，为凝聚态物理的研究开辟了新的道路，这对于下一步研究并探索电学、磁学等新奇物性提供了新的思路。

该工作得到科技部重点研发计划项目、基金委面上项目、国家高层次人才计划项目、基金委重点项目、北京理工大学校创新项目和GF实验室等项目的支持。

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作者简介

通讯作者、第一作者

周家东，北京理工大学物理学院教授、博导，入选国家高层次人才计划。

2018年获得南洋理工大学博士学位。担任《Chinese Chemical Letters》编委，《Materials Horizons》，《Rare Metals》,《Smartmat》,《Nano Research》等期刊青年编委。致力于新型二维量子与半导体材料的可控制备、新奇物性及应用研究。发表论文一百余篇，包括Nature (2篇), Nat Mater, Nat Electron, Nat Commun, Advanced Materials, Nano Letters等，引用7000余次，h因子41。

通讯作者

姚裕贵，北京理工大学物理学院院长，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任。

1992年在南开大学获得物理学学士学位，其后分别获得中科院上海光机所的光学硕士学位（1995）和力学所的力学博士学位（1999）。1999-2003年先后在中科院物理所、Texas大学Austin分校从事博士后研究，2001-2011年物理所先后任助理研究员、副研究员、研究员，2011年底调到北京理工大学工作。

现任北京理工大学物理学院院长，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任，先后获评长江学者、国家杰青、万人，享受政府特殊津贴，国家重点研发计划项首席科学家，连续4年入选科睿唯安“高被引科学家”名单，曾荣获国家自然科学奖二等奖、北京市高等教育教学成果二等奖、中国科学院杰出科技成就奖。作为院长，带领北理工物理学科入选国家一流学科建设名单。

研究领域为计算物理和凝聚态物理，发展了反常输运物理量与拓扑不变量的第一性原理计算方法，部分成果写进了教科书，是该领域开拓者之一；引领了硅烯等二维拓扑材料的研究，所提出的理论模型被冠名；完成了三维晶体中准粒子的分类并建立了百科，为搜寻和实现相关演生粒子提供了理论指导；发展了含能材料能量释放性能及感度快速检测技术，填补了相关GF领域技术空白。至今共发表SCI论文240余篇，在反常输运、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等领域的研究成果具有重要国际影响并被多位诺贝尔奖获得者广泛引用，共被引17500余次，10篇超过500次。

通讯作者

吴孝松，北京大学物理学院研究员、博士生导师。

2003年博士毕业于中国科学院物理研究所。研究低维电子体系在低温强磁场下的量子输运行为、以及对这些行为的量子调控。近年来研究集中在能带拓扑和贝里曲率相关的新奇电输运和热电输运效应。在Nature, Science, PRL, PNAS等杂志发表论文80余篇，引用8000余次。

通讯作者

刘政，南洋理工大学材料科学与工程学院教授、新加坡材料学会讲席教授。

2005年获得本科毕业于南开大学物理学士学位，2010 获得国科大博士学位（师从国家纳米科学中心孙连峰研究员），之后在Rice 大学进行博士后研究（师从PM Ajayan和楼军教授）。2013年年底，以南洋助理教授入职新加坡南洋理工大学，现任南洋理工大学材料科学与工程学院教授、新加坡材料学会讲席教授。

目前的主要研究方向为二维材料的合成以及器件和能源方面的应用，发表学术文章200余篇。其研究工作被大量主流媒体报道，包括《人民日报》、《科技日报》、《海峡时报》、《日本经济新聞》、《纽约时报》等。截止目前，总引用量超过30000次，h-index超过90。2012年获得世界科技奖能源类最终提名。2013年获得新加坡国立基金会会士以及南洋助理教授头衔。2018年获得新加坡青年科学家奖，同年获得南洋理工大学青年研究奖，以及ICON-2DMAT青年科学家奖。2019年荣获新加坡材料学会讲席教授头衔，同年获得亚洲科学之星。2020年获得ACS Nano Rising Stars Lectureship Award。2018-2021年连续入选高引科学家名单。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05031-2

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“半语-益言”系列讲座

借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”直播讲座回放链接：

https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68

2022年第三季直播讲座将以每月一次的频率进行，第四次直播讲座时间为10月12日（周三）晚19:30。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

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