2022年1月，中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员和哥本哈根大学Kasper Grove-Rasmussen副教授合作，综述了二维转角超晶格的发展及其在微电子/光电子器件中的应用，总结了转角材料体系的制备方法和目前发现的一些新奇物理现象，并展望了转角超晶格在将来应用于实际器件中的机遇与挑战。

近年来，转角电子学（Twistronics）因其简洁的材料体系和新奇的物理性质而成为物理学、材料学和电子学交叉领域的研究热点与前沿。早在2011年就有理论计算曾预言两层石墨烯在相对扭转~1°后，体系的能带结构会有显著的变化，在Γ点附近由狄拉克锥变成平带。自2018年美国麻省理工大学Pablo Jarillo-Herrero教授团队首次成功地在实验上制备了双层魔角石墨烯（转角1.1°），并观察到关联绝缘态及非常规超导态后，一个全新可控的体系自由度——转角（Twist angle），现身于二维材料家族的研究之中。

作为凝聚态物理关注的重点，转角对于二维异质结能带结构和态密度的高效调控能力同时也吸引了材料科学家们的关注。两层同质材料相对扭转一定角度后，在层间相互作用下完成晶格弛豫，形成周期性重复单元结构一致但尺寸倍增的摩尔超晶格（Moiré superlattice）。摩尔超晶格的出现不仅意味着倒空间内布里渊区的缩小和能带的折叠，同样意味着实空间出现了大尺寸周期性起伏的摩尔势场。这些势场的形成将使载流子具有新奇的输运性质，也使得对层间激子行为的研究有了更广阔的平台。从实空间回到倒空间，当转角为能带工程服务时，材料体系简洁、性质却高度可控的微电子和光电子器件便焕发了全新的增长点。例如，石墨烯除了在魔角（magic-angle）位置处能带结构会有显著变化外，其他相对转角同样可以起到通过影响态密度从而调节光学带隙的作用。光子与物质之间的相互作用得到极大幅度的增强，这不仅为设计新型的光电探测器奠定了基础，而且为非线性光学系统提供了新的研究思路。此外，在理论模拟过程中如果人为引入强磁场破坏体系的时间与空间反演对称性后，载流子有效质量沿倒空间不同方向将出现显著差异，通过转角和外磁场人为地引入有方向性的磁阻。

转角的研究从石墨烯开始，却并非只有这一个主角。与石墨烯具有完全不同电子结构且极具代表性的典型二维材料，过渡金属硫族化合物（TMDs）也很快被证明其摩尔超晶格具有类似调节能带结构的作用。在整数大角度转角下，重叠区域的带隙与两侧单层材料带隙的差异将形成一个势垒，对提升器件的整流比有很大帮助。类似地，当黑磷（BP）之间以转角90°堆叠在一起时，堆垛重叠区域的能带与Zigzag和Armchair方向的能带将完全不同，在外加垂直于材料平面的电场或特定方向的源漏电压时，载流子的输运将完全掌握在转角的人为控制之下。更有趣的是，最近研究人员在双层转角0.6°的六方氮化硼中发现了受转角与堆垛方式控制的铁电性。这无疑是对转角电子学的发展又一次有力的推动。

但是由于对小角度和转角精度的控制难度非常大，直观反映能带结构的技术例如ARPES等也比较少，因此转角电子学的研究还面临一些挑战。加之例如黑磷这类性质有趣的材料在常规环境下的不稳定性，使得许多研究仍停留在理论层面。但是不同于二维材料发展至今纷繁复杂的异质结体系，转角体系用料简单，性质高度可控，且往往伴随着意想不到的新奇物理现象，因而仍然持续地吸引着越来越多的研究投入，它在微电子/光电子领域的器件应用也将受到越来越广泛的关注。

表1. 转角电子学研究的主要二维材料与其能带结构和重要的新奇物理性质。

图1. 转角材料的制备流程概述。① CVD一步法制得交叠的转角材料；② CVD制得用于后续叠转角的材料1；③ 机械剥离出用于后续叠转角的材料1；④ 拾取起剥离的或生长在衬底上的材料1；⑤ 利用精密仪器控制晶体取向偏转特定角度，与材料2对准；⑥ 将材料1与材料2叠在一起，待晶格驰豫后形成所需超晶格。

Twist-angle two-dimensional superlattices and their application in (opto)electronics

Kaiyao Xin, Xinggang Wang, Kasper Grove-Rasmussen, Zhongming Wei

J. Semicond. 2022, 43(1): 011001

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/011001

Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/43/1/011001