科学家提出“多重界面耦合原子制造”新策略

作者：朱汉斌 来源：中国科学报

近日，北京大学/松山湖材料实验室教授刘开辉团队与合作者提出“多重界面耦合原子制造”新策略，首次实现兼具特定手性结构（包括扶手椅型、之字型及其他手性结构）及相干极化方向的二硫化钨（WS₂）条带阵列的“全同”控制制造。相关成果在线发表于《科学》。

具有可控手性与相干极性WS₂条带阵列制造及自发光电流集成输出。研究团队供图

“我们通过系统研究手性结构与体光伏效应的对应关系，实现1000余根扶手椅型条带阵列的自发光电流集成输出。”论文通讯作者刘开辉表示，该研究为一维结构的原子级精准制造提供了定制化方案，有望促进其在新型电学、光电转换器件的阵列化集成芯片加工。

一维材料降低的几何维度为其带来诸多优异物理性质，在新奇物态调控、先进制程集成电路、新一代太阳光伏系统等领域具备广阔应用前景。经过近30余年发展，一维碳结构（例如碳纳米管、石墨烯纳米带）在阵列可控制备方向取得重要进展。然而，过渡金属硫族化合物的非中心对称结构使其一维结构手性及极性控制极为复杂。迄今为止，原子级精准的一维结构制造（包含手性结构、极化方向等）尚无法实现。

针对上述问题，刘开辉团队与合作者在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的大力支持下，提出一种“多重界面耦合原子制造”新策略，实现了具有可控手性与相干极性的WS₂条带阵列的“全同”控制制造：一是，WS₂-蓝宝石外延界面耦合决定WS₂晶格排布方式；二是，Na₂MoO₄前驱体-蓝宝石原子级台阶耦合作用限制条带轴向方向；三是，WS₂-Na₂MoO₄前驱体耦合作用锁定条带的单一极化排布方向。

该研究通过精准设计特定晶面蓝宝石衬底，调控表面原子级台阶与晶格排布的相对关系，成功实现了扶手椅型、之字型、手性结构（含左手手性、右手手性）的WS₂条带的精准原子制造。其中，扶手椅型条带阵列具有沿轴方向的相干极性，表现出增强的体光伏效应，短路电流密度达到0.37A/cm²，且可基于1000余组WS₂条带阵列器件集成实现光电流的集体放大输出。

该工作为复杂结构一维材料体系提供了原子水平精准结构定制策略，有望推动自驱动光电探测及新机理太阳光伏等领域的技术发展。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adn9476