探索二维材料性能：超扭曲结构的新视角！

【研究背景】

二维（2D）范德华（vdW）层状材料是制造具有新特性的人工结构的理想平台，因其在电子器件、光电子学和量子计算等领域的潜在应用而备受关注。与传统的三维材料相比，这些材料具有轻质、高表面积和灵活性等优点。然而，在制造过程中，控制层间的扭转角度仍然是一个挑战，这直接影响了材料的性能和可调性。

为了解决这一问题，美国威斯康星大学麦迪逊分校金松教授（通讯作者）的研究小组在二维材料的生长研究中取得了新进展。该团队提出了一种在非欧几里得表面上生长层状材料的通用模型，该模型基于螺旋位错的生长机制，实现了连续扭曲的多层超结构的构建。通过在纳米颗粒上生长超扭曲的二硫化钨（WS₂）和二硒化钨（WSe₂），他们成功获取了层间几何扭转与晶格扭转一致的现象，从而在原子层之间形成了莫尔超晶格。

利用这一模型，该研究显著提高了所生长材料的性能，特别是在电子状态的调控和量子现象的实现方面。这项研究为二维材料的合成与应用提供了新的思路和方法，有望推动未来在超导、激子和调节Mott绝缘体等领域的进一步探索。

【表征解读】

本文通过扫描透射电子显微镜（STEM）等表征手段，深入探讨了非欧几里德扭曲超结构的特征，揭示了该超结构在层状材料生长中的重要性。研究发现，通过引入纳米颗粒作为凸起特征，可以在平面基底上生成连续扭曲的超结构，从而实现对层状材料如WS₂和WSe₂的调控。通过对这些现象的观察，进一步理解了其微观机制。

针对超扭曲螺旋的形成现象，本文利用原子力显微镜（AFM）对不同层数的超扭曲螺旋进行了详细的表征，获得了每一层之间的扭转角度，并观察到扭曲角度在层数上呈线性增加的趋势。这一结果不仅验证了理论模型的预测，还为调控材料的力学和光学性能提供了依据。通过这种微观机理的表征，深入挖掘了超扭曲结构与基底形态之间的关系，揭示了其对材料特性的影响。

此外，利用高角度环形暗场成像（HAADF）技术，本文观察到在扭曲超结构中形成的莫尔条纹，进一步证明了层与层之间的相对旋转。通过对PACBED数据集的分析，获得了与层数相关的扭转角度，并发现其与形态学测量结果高度相关。这些结果突出了层状材料在非欧几里德表面上的生长特性，为理解层状材料的光电性能奠定了基础。

综上所述，通过STEM、AFM和HAADF等多种表征手段，深入分析了非欧几里德扭曲超结构的生长机制及其特征。研究显示，基于这种新型扭曲超结构的层状材料具有优异的性能，为未来开发新型光电器件提供了新的材料平台。

【图文速递】

图1：在欧几里得和非欧几里得表面上的三角螺旋位错说明扭曲过程。

图2：在非欧几里得表面上的超扭曲螺旋的仿真和实验演示。

图3：扭曲WS2螺旋的扭转角演变。

图4：非欧几里得扭曲上部结构的STEM表征。

【科学启迪】

本文通过提出一种在非欧几里得表面上生长层状材料的模型，为二维材料的生长提供了新的视角与方法。这一研究揭示了螺旋位错的生长机制在构建连续扭曲的多层超结构中的重要性，表明通过控制生长条件可以实现层间的几何扭转。这种新型的生长方式不仅打破了传统在平坦基底上生长的局限，也为探索新型量子现象提供了平台。尤其是在实现超扭曲的二硫化钨（WS₂）和二硒化钨（WSe₂）等材料时，实验结果显示出晶体格扭转与几何扭转的高度一致性，这为开发新型莫尔超晶格材料奠定了基础。未来，基于这一研究，科学家们可以进一步探讨非欧几里得几何对其他材料生长的影响，拓宽二维材料的应用前景，并为量子计算、光电子学等领域的发展提供新思路。这一研究不仅是材料科学领域的一次突破，也为深入理解材料的生长机制与性质提供了新的研究方向。

参考文献：Yuzhou Zhao et al. ,Supertwisted spirals of layered materials enabled by growth on non-Euclidean surfaces.Science370,442-445(2020).DOI:10.1126/science.abc4284