专题 | 半导体学报2023年第1期——转角范德瓦尔斯异质结专题
转角范德瓦尔斯异质结专题
、光学和机械性质可以通过相邻二维材料的层间相对转角进行调控，基于这一特性，“二维转角范德瓦尔斯异质结”正逐渐成为新型光电和输运器件的基本构成要素。这种转角二维异质结构将不同的二维范德瓦尔斯材料通过机械转移的办法堆叠在一起，逐渐发展出“转角电子学”这一全新研究领域。在“转角范德瓦尔斯异质结”中，相邻二维材料的晶格失配和层间转角共同作用，产生了“莫尔超晶格”：即一种比原始晶胞更大的周期性晶格结构，目前已被广泛用于二维材料的光学特性和电子结构设计，并由此展示出一系列新奇的现象。虽然在范德瓦尔斯异质结中，二维材料层与层之间的范德瓦尔斯相互作用非常弱，但莫尔超晶格的形成却可以显著改变电子和声子的能带结构。这种意想不到的能带结构和拓扑结构的引入将引发长程关联、电荷有序以及其它于母体材料中不具备的诸多引人入胜的量子现象。与传统的半导体异质结构不同，简单的堆叠、转角、栅极调制和光学激发对这类材料而言都是全新而有效的调控方法。因此，“转角电子学”为人们无缝链接地打开了探索从弱关联到强关联极限物理学的大门。虽然“转角电子学”这一全新领域的研究看似可以简单地通过扭转层间转角来实现，但与同类非转角材料体系的研究相比仍然面临诸多挑战，后者需要在制造技术、新结构设计和更深入的物理理解等多方面取得更多的突破并开展更深入的研究。
由于我们无法将所有相关问题逐一囊括，本期专题侧重于“转角范德瓦尔斯异质结”的合成、实验及其潜在应用价值相关的最新重要研究进展，汇集了5篇综述论文、1篇研究论文、1 篇新闻与观察（news & views）以及 1 篇评论与观点（comments & opinions）文章。中科院半导体研究所张俊研究员、魏钟鸣研究员担任特约编辑。专题已于2023年第1期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。
我们真诚地希望本期特刊能为“转角电子学”研究提供深刻、有意义的回顾和展望，我们衷心地感谢所有作者的杰出贡献。
范德瓦尔斯异质结的电学、光学和机械性质可以通过相邻二维材料的层间相对转角进行调控，基于这一特性，“二维转角范德瓦尔斯异质结”正逐渐成为新型光电和输运器件的基本构成要素。这种转角二维异质结构将不同的二维范德瓦尔斯材料通过机械转移的办法堆叠在一起，逐渐发展出“转角电子学”这一全新研究领域。在“转角范德瓦尔斯异质结”中，相邻二维材料的晶格失配和层间转角共同作用，产生了“莫尔超晶格”：即一种比原始晶胞更大的周期性晶格结构，目前已被广泛用于二维材料的光学特性和电子结构设计，并由此展示出一系列新奇的现象。虽然在范德瓦尔斯异质结中，二维材料层与层之间的范德瓦尔斯相互作用非常弱，但莫尔超晶格的形成却可以显著改变电子和声子的能带结构。这种意想不到的能带结构和拓扑结构的引入将引发长程关联、电荷有序以及其它于母体材料中不具备的诸多引人入胜的量子现象。与传统的半导体异质结构不同，简单的堆叠、转角、栅极调制和光学激发对这类材料而言都是全新而有效的调控方法。因此，“转角电子学”为人们无缝链接地打开了探索从弱关联到强关联极限物理学的大门。虽然“转角电子学”这一全新领域的研究看似可以简单地通过扭转层间转角来实现，但与同类非转角材料体系的研究相比仍然面临诸多挑战，后者需要在制造技术、新结构设计和更深入的物理理解等多方面取得更多的突破并开展更深入的研究。由于我们无法将所有相关问题逐一囊括，本期专题侧重于“转角范德瓦尔斯异质结”的合成、实验及其潜在应用价值相关的最新重要研究进展，汇集了5篇综述论文、1篇研究论文、1 篇新闻与观察 (news & views) 以及 1 篇评论与观点 (comments & opinions) 文章。中科院半导体研究所张俊研究员、魏钟鸣研究员担任特约编辑。专题已于2023年第1期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。
我们真诚地希望本期特刊能为“转角电子学”研究提供深刻、有意义的回顾和展望，我们衷心地感谢所有作者的杰出贡献。
专刊
综 述
1
基于界面设计的新型二维异质结发光材料
二维半导体材料中显著的激子效应、多样化的激子种类和高度可调的辐射性质使二维材料在光学和光电子学方面表现出诸多新颖的特异性质。以平面结构的二维材料为基本单元，这些原子层“砖块”可通过范德瓦尔斯组装进行集成。通过对二维异质结界面状态进行合理设计，人们可实现激子种类以及光发射性质的可控调制，由此衍生出许多新颖的发光特性，极大地拓展了低维发光材料研究与设计的版图。当前，二维异质结材料已经成为研究激子物理和设计、集成新概念发光器件的重要平台。
近日，南京大学徐伟高教授课题组和美国杜兰大学陆欣助理教授等综述了基于界面设计来实现新型二维异质结发光的研究进展。该论文首先概述了界面设计中常采用的三种基本策略，即改变单层组分、调整层间间隙和控制扭转角度。然后，作者详细介绍了这些策略实现的一系列新型的激子行为与光发射特性。具体地，通过界面设计调控界面能量转移和界面电荷转移过程，人们分别实现了层内激子荧光增强与动态关联双色荧光发射。利用双层同质结和Ⅱ型异质结中电子与空穴在空间上分离的特征，相邻层中存在的长寿命层间激子荧光发射现象也是本论文的重要关注点。此外，本论文还重点介绍了晶格相似单层材料堆叠形成的更大周期莫尔超晶格，以及由莫尔周期势对层内和层间激子的空间调制所形成的莫尔激子。周期性排布的莫尔激子的荧光发射具有窄线宽和量子发射特性，对量子多体模拟和量子信息处理至关重要，在可集成单光子源阵列研究方面具有重要应用前景。
文章信息：
Interface engineering in two-dimensional heterostructures towards novel emitters
Hua Li, Jinyang Ling, Jiamin Lin, Xin Lu, Weigao Xu
J. Semicond. 2023, 44(1): 011001 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011001
2
扭角二维铁电的研究进展
自二维（2D）材料的研究开始以来，已经预测或实验证实了一些2D铁电材料，但作为必要的功能材料，2D铁电材料对未来电子器件的发展具有重要的意义。最近在2D铁电材料方面的突破令人印象深刻，随着对2D vdW材料研究的不断深入，异质结构的制备成为可能，人们开始意识到，减小材料尺寸并不是改变材料性能的唯一途径，扭角的2D层状材料也是可能的。扭角是一种新的自由度，它通过旋转交替的单分子层形成角度来得到独特的性质。当两层非极性材料以一定的角度堆叠时，新的合成铁电材料就可能会出现。目前，扭角2D铁电材料的物理和结构性质引起了广泛的兴趣和讨论，不过扭角2D铁电材料的研究还处于开始阶段。
近日，电子科技大学彭波教授课题组综述了扭角2D铁电体的最新研究进展，包括贝纳尔堆积的双层石墨烯/氮化硼（Bernal-stacked bilayer graphene/BN）、双层氮化硼（bilayer BN）和过渡金属二卤化物（TMDs）。最后，对扭角二维铁电材料的发展进行了展望，扭角2D铁电材料独特的物理特性为高性能、低功耗、高集成度的新一代电子器件，例如具有高开关比和低漏电流的非易失性存储器、新型铁电场效应晶体管（Fe-FET）以及能用于神经网络计算的存算一体器件，带来了潜力。
图1. (a) AB堆积和BA堆积BN的晶体结构示意图。(b) 扭角双层BN的PFM相位图和幅值图。(c) 器件的石墨烯电阻Rxx分别作为顶栅和底栅的函数（插图：双栅P-BBN器件结构）。(d) 扭角双层BN中的铁电切换。(e) 极化和石墨烯电阻Rxx分别与温度的关系。(f) 铁电场效应晶体管的室温工作特性。
图2. (a) H堆积和R堆积（MX和XM）TMDs的晶体结构示意图。(b) MoSe2的PFM相位图和幅值图。(c) MoSe2的横向PFM测量示意图。(d) TMDs器件的石墨烯电阻Rxx分别作为顶栅和底栅的函数（插图：双栅R堆叠TMDs器件结构）。(e) 小角度扭角双层WSe2 d1器件中的铁电切换。 (f) WSe2 d1和d2器件的极化转换原理图和石墨烯电阻Rxx的温度关系图。
文章信息：
The twisted two-dimensional ferroelectrics
Xinhao Zhang, Bo Peng
J. Semicond. 2023, 44(1): 011002 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011002
3
二维过渡金属硫属化合物莫尔超晶格的制备与平带物理研究进展
当两种堆叠的二维材料存在扭转角或晶格常数差异时，就会形成莫尔（Moiré）超晶格，从而显著影响材料中的电子行为。在过去的四年多时间里，二维材料莫尔超晶格研究领域取得了许多重要突破，多种奇异量子现象相继被发现，如莫特绝缘态、非常规超导和量子反常霍尔效应等现象。该领域已经成为凝聚态物理、材料科学和前沿信息科学领域的重要研究方向，为量子物性研究和先进电子器件的设计与应用带来了新契机。
近日，北京理工大学前沿交叉学院黄元教授、集成电路与电子学院王业亮教授与中国科学院物理研究所凝聚态物理国家实验室的许杨特聘研究员合作撰写综述文章，对过渡金属硫属化合物（TMDs）的莫尔超晶格研究进行了系统介绍，总结了TMDs的制备技术和转角TMDs体系中的平带物理相关物性的研究进展。相比于更早受到研究关注的魔角石墨烯体系，转角TMDs体系有诸多的优势和特色。例如，与平带相关的现象可以在更大的扭转角范围内出现，具有的光学带隙可以为利用许多成熟的光学方法表征测量带来便利（荧光光谱、反射和超快光谱等）。本文首先回顾了二维材料解理技术以及转角制备技术的新进展，包括金膜、银膜辅助的解理技术和特殊二维材料（悬空结构、转角异质结）的制备技术等。作者随后简要介绍了TMDs异质结中光激发莫尔激子的相关研究成果，并用通俗化的语言解释了该转角体系中平带的形成机制及其在具有可调掺杂、简并度和关联强弱的Hubbard模型量子模拟中的应用潜力。作者重点介绍了近些年来在转角TMDs体系里先后发现的分数填充的关联绝缘态、在中等关联强度时的奇异量子输运行为及量子反常霍尔效应等。最后，文章讨论了TMDs莫尔超晶格研究领域面临的挑战和未来的发展方向。
本综述文章系统总结了TMDs材料的解理及转角异质结制备技术，并对莫尔超晶格体系中与平带相关的新奇物理特性进行了详细介绍，为开展TMDs及更多二维材料体系中的莫尔超晶格研究提供了重要指导。
该文章以题为“Recent progress on fabrication and flat-band physics in 2D transition metal dichalcogenides moiré superlattices”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Recent progress on fabrication and flat-band physics in 2D transition metal dichalcogenides moiré superlattices
Xinyu Huang, Xu Han, Yunyun Dai, Xiaolong Xu, Jiahao Yan, Mengting Huang, Pengfei Ding, Decheng Zhang, Hui Chen, Vijay Laxmi, Xu Wu, Liwei Liu, Yeliang Wang, Yang Xu, Yuan Huang
J. Semicond. 2023, 44(1): 011901 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011901
4
莫尔超晶格中的声子物理
当两种二维材料以不同的旋转角度或晶格参数堆叠在一起时，会形成比原始周期单元更大的新的周期单元，称之为莫尔（Moiré）超晶格。莫尔超晶格引入了新的周期势场，会对电子能带结构产生重要的影响，并衍生出一系列新奇的物理现象，例如转角双层石墨烯（tBLG）在特殊的“魔角”下会表现出超导的性质。除了会改变电子能带结构，莫尔超晶格也对晶格振动性质产生重要的影响。一方面，由于晶体学超晶格的布里渊区折叠效应，会使得原来处于布里渊区边界的声子模式折叠到布里渊区中心；另一方面，莫尔超晶格会产生与之对应的新的“莫尔声子”，例如人们利用拉曼光谱在转角双层MoS2（tBLM）中观察到了与莫尔超晶格相关的莫尔声子模式。此外，电-声子耦合在莫尔超晶格中也会表现出一些有趣的性质。
近日，中国科学院半导体研究所张俊课题组撰写了莫尔超晶格中声子物理的综述文章。该综述首先介绍了有效连续模型计算莫尔声子色散的方法；随后以tBLG和tBLM为例讨论了莫尔声子的拉曼光谱；接着概括了莫尔超晶格中电-声子相互作用的基本理论和电-声子耦合的增强效应，以及莫尔超晶格中的热电性质；而后介绍了莫尔超晶格中声子介导的超导机制；最后对莫尔超晶格中的声子物理进行了总结和展望。
图2. 莫尔超晶格中电-声子相互作用示意图。
文章信息：
Review of phonons in moiré superlattices
Zhenyao Li, Jia-Min Lai, Jun Zhang
J. Semicond. 2023, 44(1): 011902 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011902
5
二维半导体双层异质结中莫尔激子与腔光子的相互作用
由两个经过小角度转角或由较小晶格常数差的单层二维材料堆叠而成的莫尔材料，是研究强关联物理的重要平台。这其中，基于过渡金属硫族化合物（TMDs）的莫尔材料已经被广泛地研究过，但是其承载的莫尔激子与光学腔模之间的耦合尚未被充分研究。
近日，北京大学叶堉研究员课题组撰写了一篇关于二维半导体双层异质结中莫尔激子与腔光子的相互作用的综述。他们在该综述中总结了近年来研究TMDs双层异质结与光学腔（法布里-珀罗腔或平面光子晶体腔）组合结构的工作。其中绝大部分工作仅观察到了莫尔激子与光学腔之间的弱耦合现象而未能实现二者间的强耦合，说明此领域尚未被充分研究。文中还评述了在莫尔激子与光学腔耦合研究中遇到的困难以及可能的解决手段与发展方向。
该综述总结了近年来关于二维半导体双层异质结中莫尔激子与腔光子的相互作用的工作，对促进其物性研究与可能的应用有积极的推动作用。
文章信息：
Interaction of moiré excitons with cavity photons in two-dimensional semiconductor hetero-bilayers
Yuchen Gao, Yu Ye
J. Semicond. 2023, 44(1): 011903 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011903
研究论文
6
CVD生长的40度转角双层WS2中栅压可调的谷-自旋空间积累
人们在一些反演对称破缺的晶体（例如过渡金属硫属化合物，transition metal dichalcogenide，TMD）中，发现电子除了电荷还具有谷自由度。谷即晶体能带结构中带边的极值点（导带底或价带顶）。由于单层TMD（MoS2、WSe2等）在晶体结构上存在空间反演对称性破缺，所以在第一布里渊区中存在能量简并但不同的K+和K-谷，两者具有相反的贝里曲率（Berry Curvature）。一些TMD中的自旋轨道耦合作用较强，可导致能谷与自旋锁定在一起。贝里曲率可视为一种赝磁场，在二维TMD的平面内施加电场，不同的谷-自旋（K+和K-）就会空间分离，在器件的边界处分别积累，进而导致谷霍尔效应（valley Hall effect）。
有研究表明，尽管单层TMD中的谷霍尔信号很弱，但在重掺杂的单层WSe2或者应变的单层MoS2中，可以采用克尔旋转显微术探测他们的谷信号。然而，对于转角双层TMD这一新的强关联体系，有诸如平带、电子-电子相互作用等新的物理现象。而且由于转角对体系对称性的破坏，在转角双层TMD的莫尔超晶格中探测谷自由度成为值得探索的科学问题。
近日，中国科学院金属研究所赵斯文助理研究员、山西大学张桐耀讲师、湖南大学刘松教授等人成功采用CVD生长制备了40度转角双层WS2晶体管器件。他们首次在该莫尔超晶格体系中观测到了谷霍尔效应导致的K+和K-的谷-自旋信号在空间上的积累，并且该效应可以通过栅压进一步调控。该项研究为未来TMD莫尔超晶格体系的能谷极化和调控研究奠定了基础。
图1. (a) 转角双层WS2的晶体结构和单层WS2能带结构示意图。(b) 转角双层WS2/h-BN异质结器件示意图。(c) 在SiO2/Si衬底上CVD生长的40度转角双层WS2晶体管光学显微镜照片。(d) 转角双层WS2/h-BN晶体管光学显微镜照片。(e) 最终图形化后的器件光学显微镜照片。
文章信息：
Gate tunable spatial accumulation of valley-spin in chemical vapor deposition grown 40°-twisted bilayer WS2
Siwen Zhao, Gonglei Shao, Zheng Vitto Han, Song Liu, Tongyao Zhang
J. Semicond. 2023, 44(1): 012001 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/012001
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《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。
“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：jos@semi.ac.cn，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：
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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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