AFM：西湖大學工學院孔瑋團隊實現(xiàn)大面積TMDCs的手性組裝

西湖大學工學院孔瑋團隊開發(fā)了一種基于范德華力的快速解耦和重組集成方案，成功實現(xiàn)了多種二維（2D）過渡金屬硫屬化合物（TMDCs）的大面積逐層轉移與組裝。這一人工組裝手段可實現(xiàn)精確的轉角控制，進而構建多層轉角TMDCs。最終，研究團隊成功以非手性TMDCs材料為單體，通過人工集成得到具有螺旋手性的2D薄膜。該工作不僅開發(fā)了一種高效的大面積2D材料潔凈堆疊方法，而且展示了人工集成工程在創(chuàng)造新結構和發(fā)現(xiàn)新性質方面的巨大潛力。相關工作以“Van der Waals Assembly of Multilayer Twisted Transition Metal Dichalcogenides with Controllable Chirality”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials。

二維（2D）過渡金屬硫屬化合物（TMDCs）莫爾超晶格因其獨特的結構和物理性質備受關注。研究表明，莫爾TMDCs的性質不僅取決于扭轉角度，還與層數(shù)密切相關。多層轉角TMDCs體系由于復雜的層間耦合作用，往往展現(xiàn)出新穎的特性。盡管TMDCs本身不具有手性，但通過螺旋生長或扭轉堆疊，理論上可誘導出手性特征，且該性質可通過轉角和層數(shù)調控。然而，二維材料的螺旋手性組裝仍面臨三大挑戰(zhàn)：轉角的精確控制、大面積手性均勻性的保持，以及多層系統(tǒng)復雜耦合機制的理解。雖然化學氣相沉積可制備扭曲雙層MoS?，但多層扭曲TMDCs仍需依賴人工堆疊。傳統(tǒng)堆疊方法效率低且易引入有機殘留，阻礙了多層轉角體系的構建及其構效關系的精準研究。

針對上述問題，研究團隊開發(fā)了一種基于范德華力（vdW）的快速解耦與重組策略，實現(xiàn)了多層TMDCs同質和異質結構的高效逐層組裝。該方法消除了層間有機污染，確保了清潔的2D界面。解耦與復合過程自發(fā)且動態(tài)，大幅提高了組裝效率。此外，該方法可精確調控扭轉角度，進而有效調控轉角TMDCs的手性，并揭示轉角和層數(shù)對2D手性的影響。該研究不僅為多層轉角TMDCs的精確制備提供了可靠方法，也為這一體系的構效關系研究建立了新范式。

圖1. vdW相互作用解耦/重組策略用于大面積MoS2薄膜的逐層組裝

研究團隊發(fā)展了范德華力的解耦和重組方案，實現(xiàn)了藍寶石襯底表面MoS2薄膜的快速轉移和堆疊。當PDMS-MoS2-藍寶石放入水中時，水分子會插入MoS2/藍寶石界面，使γ3解耦并弱化為γ1，從而將MoS2轉移到PDMS表面（γ1< γ2）。當PDMS/MoS2重新貼合到新的MoS2/Al2O3上時，雙層（2L）MoS2之間的范德華力γ4迅速形成，這一范德華力比MoS2與PDMS和Al2O3之間的結合力都強（γ2< γ3< γ4）。當PDMS-2L MoS2-藍寶石放入水中時，γ3再次解耦并弱化為γ1，從而將2L MoS2轉移到PDMS表面（γ1< γ2< γ4）。如果重復進行上述vdW界面的解耦和重組，將會在獲得多層MoS2。這一范德華力輔助的轉移策略，不僅避免了傳統(tǒng)多層組裝方案中PDMS多次釋放造成的界面污染，更極大地提高了組裝效率。

圖2.多層TMDCs異質結集成

這一范德華集成工藝兼容藍寶石襯底上其他TMDCs材料如MoSe2和WS2的異質堆疊，并且可以實現(xiàn)高分辨的圖案化集成。Raman光譜、截面HAADF-STEM圖像及其能量色散X射線能譜（EDX）清楚地反映了異質結的結構完整性及表面潔凈性。這種系統(tǒng)的方法能夠精確制造具有定制幾何形狀的復雜2D異質結構，有望推進二維材料在柔性光電子學和量子集成器件中的應用。

圖3.轉角多層MoS2的角度控制

由于生長的晶圓級TMDCs為單晶的，因此支持“直邊對準”的策略進行角度控制。在該方法中，首先將單晶MoS2/Al2O3晶圓切割成標準小片，其邊緣可作為參考直邊，進行角度控制。通過樣品邊緣測量的夾角和選區(qū)電子衍射（SAED）測得的夾角保持一致，反映了角度控制工藝的可靠性。更重要的是，這一角度控制方案適用于多層組裝的層間角度控制，以實現(xiàn)對多層轉角TMDCs體系構效關系的探索和厘清。

圖4.轉角多層TMDCs的手性控制及其構效關系。

將兩層MoS2按照一定轉角θ堆疊，當下層材料固定不動，上層材料逆時針旋轉堆疊和順時針旋轉堆疊的結構呈鏡面對稱，但是在空間內無法完全重合。這使得這兩組轉角堆疊的結構如同人的左右手，無法完全重合，產(chǎn)生螺旋手性，分別對應左旋（L）手性和右旋（R）手性。研究團隊發(fā)現(xiàn)左旋20°和右旋20°的轉角MoS2樣品的圓二色（CD）信號大小相等，方向相反。這一結果證明了通過非手性TMDCs單晶的轉角堆疊，可以構建具有圓偏振活性的TMDCs薄膜。進一步地，通過角度的層數(shù)的控制，研究團隊發(fā)現(xiàn)手性信號隨轉角遵循在正弦函數(shù)變化，而隨層數(shù)呈線性增強變化。

本文亮點：

1. 發(fā)展了一種基于范德華力解耦與重組的多層TMDCs集成方案，為大面積多層TMDCs的高效潔凈組裝提供了可靠的技術手段。
2. 這一范德華組裝方案兼容多種TMDCs材料的圖案化集成，并且只支持層間角度的精準控制。
3. 通過非手性TMDCs單體的人工集成，制造出具有明確手性的TMDCs薄膜，并且清晰地厘清了轉角多層TMDCs的手性與結構的關系。

本研究的第一作者為西湖大學工學院博士生沈繼闖。西湖大學工學院特聘研究員孔瑋、博士生沈繼闖為本研究通訊作者。該工作得到了西湖大學未來產(chǎn)業(yè)研究中心和西湖教育基金的資助支持。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202504859