低維量子結構由於量子限制效應等通常展示出獨特的電子、光學和磁學特性，相關應用如發光二極管、光伏太陽能電池和場效應晶體管等推動了現代技術的革命性進步。新型低維結構的原子精度的精准構築和觀測，不僅可以實現特定功能的調控和機制研究，也深化了我們對低維量子系統物理機制的理解，為下一代高性能電子和光電子器件的發展提供了新的途徑。近期，德國馬普所王紅光團隊在低維量子結構的原子精度構築和原子尺度觀測研究上取得系列進展，連續以第一作者兼通訊作者在Advanced Materials 和Nature Communications 發文。
1. 超越傳統外延的新型原子精度異質界面
界面在產生新的電子行為方面起著至關重要的作用。界面的原子級工程已經導致了諸如量子霍爾效應、巨磁阻效應和界面超導性等重要發現。外延生長長期以來一直是制造具有三維離子鍵合晶格的三維材料之間高質量界面的基石。然而，外延界面材料的組合僅限於具有兼容對稱性和晶格參數的材料。這些限制阻礙了不同晶格對稱性的材料之間界面的創建，限制了新材料組合及其潛在特性的探索。
在最近發表在 Advanced Materials 上的論文中，王紅光團隊與合作者以立方鈦酸鍶-六方藍寶石界面為例，設計了一個三步工藝來制造三維材料之間的對稱性破缺界面。透射電子顯微鏡研究證明這些界面在原子級上是潔淨且結構明確的，且沒有雜質或空隙。原子分辨電子能量損失譜成像揭示鈦酸鍶和藍寶石之間的界面在化學成分上是尖銳的，幾乎沒有陽離子混合現象。該研究揭示了一種前所未見的莫爾型界面重構，這種重構由鈦酸鍶和藍寶石重疊的晶格形成的莫爾圖案決定。電子能量損失譜精細結構分析、定量電鏡分析和四維電鏡研究揭示了界面處的極化結構和電子結構調制。
原子分辨掃描透射電鏡圖像及譜學圖像揭示原子尺度明亮結構及化學成分分布的異質結面
這項研究為以前所未有的精度構築三維材料間的對稱破壞界面開辟了新的可能性。材料的堆疊和扭轉的靈活性開辟了研究潛在莫爾圖案及相關現象的新領域，為開發新型電子器件提供了新的可能。
2.範德華異質外延結構中的堆砌選擇自插層
過去二十年間，層狀二維範德華材料取得巨大成功。材料層間相互作用足夠弱，使得單個層可以被視為准二維，且易於剝離或插層。然而，這種相互作用也足夠強，使得面內不同位移和旋轉的層堆疊可以顯著改變其電子特性。用透明膠帶機械剝離二維材料，並以新方式重新堆疊它們以制造異質結構已經發展成一個重要的研究領域。然而，為了使這種系統具有可擴展性，人們不禁會問：否有可能通過外延生長二維材料並在每一層上精確控制堆疊方向？並通過原子精度的透射電子顯微鏡在微觀層面上弄清楚發生了什麼。
在近期發表在Nature Communications上的論文中 ，王紅光與合作者使用掃描透射電子顯微鏡研究原子精度雜化脈沖激光沉積生長的外延Nb1+xSe2薄膜，為研究過渡金屬二硫屬化物的插層帶來了新的視角。在外延Nb1+xSe2薄膜中，x約為0.3，觀察到了納米尺度的180°和0°堆疊的NbSe2層的相混合。180°堆疊的層中有大量的Nb插層，而0°堆疊的層幾乎沒有檢測到插層。該研究同時揭示了在x約為0.03–0.07時和x約為0.3時存在從180°和0°之間的堆疊旋轉，並指出薄膜外延生長過程中涉及的動力學過程的關鍵作用。
堆砌選擇自插層的原子分辨掃描透射電鏡圖像
這項研究提供過渡金屬鹵化物自插層機制的清晰圖像，為基於自插層的功能設計提供了新的視角。
論文信息：
<1>https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202405065
<2>https://www.nature.com/articles/s41467-024-46934-0
