第一作者：万众（UCLA）、钱琦（港中深）

通讯作者：段镶锋（UCLA）

论文DOI：10.1038/s41586-024-07858-3

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尽管创建新型异质材料对于推进量子技术的发展至关重要，然而在材料组成差异和界面杂质方面存在诸多挑战。近日，UCLA万众博士、段镶锋教授、黄昱教授与香港中文大学（深圳）理工学院钱琦教授合作在Nature上发表展望文章 “Layered Hybrid Superlattices
as Designable Quantum Solids”。这项工作提出了将原子、分子插入层状二维原子晶体范德华间隙，构筑层状杂化超晶格（LHSLs）的方法与应用前景。

背景介绍

现代技术革命主要依靠两种迥异的材料体系来实现：构成信息技术基础的固态材料和用于化学技术与医学的合成分子系统。固态材料通常在高温（例如，> 1000 °C）下制备，具有热力学决定的晶体有序性，这对于其出色的电子性能至关重要，但通常材料结构自由度有限。另一方面，合成分子系统通常在相对较低的温度（例如，~100 °C）下制备，显示出丰富的结构与功能，但通常过于脆弱，难以稳固地集成到固态设备中。通过构筑有机-无机复合系统，则可以利用分子的尺寸、对称性和功来调整固态材料。这将极大地丰富固态系统并使其能够实现全新的人工固体，然而，由于固有的结构差异和迥异的加工条件，这些材料很难通过传统的固态反应或外延方法制备，成为限制有机-无机复合系统进一步发展的全球性挑战。

研究内容

首先团队总结和回顾了以往各种超晶格结构的制备方法。与传统方法比较，在LHSLs的制造过程中，通过在二维原子晶体的非键合层中插入原子或分子，生成交替的晶体原子层和分子层。这种模块化组装不仅灵活，还允许在室温或接近室温条件下进行，避免了高温外延生长的限制。在图1中，研究人员展示了从晶格匹配的外延生长、层叠组装到滚卷法的高阶超晶格制造工艺，研究人员还对比展示了使用传统方法获得超晶格的横截面图像（图1b-f），以及插层法获得LHSLs的高分辨透射电镜图像（图1h）。这些图像揭示了分子插层可以在晶体原子层间形成高度有序的分子层，生成了独特的结构和长程有序性。

图1，晶格匹配的外延生长、层叠组装、卷曲法以及插层法的高阶超晶格制造工艺

研究团队提出：利用二维原子晶体可以将这两种截然不同的材料系统结合起来，创造出一种动力学稳定、性质可控、模块化的新型合成固体。二维原子晶体层间是范德华间隙，允许插入各种分子而不会破坏已有的共价键，从而产生丰富的层状杂化超晶格 （LHSL）。层状杂化超晶格具有以下几个显著优势：（i）分子层两侧高度有序的二维晶体模板提供了强大的驱动力来引导分子有序排列；（ii）插层分子与二维晶体模板之间的范德华相互作用让分子有更大的流动性，可寻找最低能量状态并进行有序自组装；（iii）二维原子晶体为分子提供了强大的物理保护和电子界面，从而能够让分子更稳固地集成到固态设备中。最终把具有不同化学成分和量子特性的体系编织成一体化的人工固态材料
（图2）。

图2 多样层状杂化超晶格

尽管有机分子被认为与经典的、需要超洁净环境的量子物理不兼容，但是不同拓扑系统的稳健性已证明其高度缺陷容忍特性。通过合理的分子设计和多功能集成策略，有机-无机杂化系统可以将分子复杂性引入固态体系，同时具有丰富的量子特性和稳定的固态环境，实现和利用非常规电子态。实验上已经在不同层状杂化超晶格体系中观测到了包括可控能隙、强二次谐波生成、手性自旋选择效应、非常规超导等在内的独特量子现象（图3），通过选择特定的分子层，研究人员能够实现低温超导和手性调控等新兴量子效应，为量子计算和信息技术提供潜在材料平台。

图3 关于层状杂化超晶格的量子特性研究

更进一步，通过使用不同的材料和插层分子来构建LHSLs，可以引入自旋、超导和手性等量子特性对二维材料的能带结构进行调控，这些特性在常规材料中难以实现。例如，插入具有磁性或手性的分子层，能够产生可控的磁性和电子特性，或者插入不同二维材料组成三维异质结，实现室温玻色爱因斯坦凝聚。从而在量子信息和量子计算领域具有广泛应用潜力。并有望在高温磁性半导体材料、铁电Rashba半导体材料、室温激子体系的开发和物性研究上取得突破（图4）。

图4 LHSLs中的新兴物理特性和能带调控性质

另一方面，自组装分子层在x-y维度上提供了二维人工势垒，交替的二维原子晶体与分子层提供了z轴方向的势垒变化。因此，复合超晶格是一个可以实现三维人工势垒调控的平台（图5）。鉴于在具有一维人工势垒调控的材料（半导体超晶格中的二维电子气、量子级联激光器和高电子迁移率晶体管）或二维人工势垒调控的材料（可调电子-电子关联、平带结构、非常规超导性和二维莫尔超晶格中的Hofstadter蝴蝶）中观测到的许多奇异现象以及实现的独特器件，我们对具有三维人工势垒调控潜力的层状杂化超晶格充满期待。此外，通过创新的插层手段，层状杂化超晶格系统有望构筑三维摩尔超晶格体系，并通过使用金属有机骨架(MOF) 和共价有机骨架(COF) 材料创建更加丰富的结构，如Kitaev honeycomb 晶格或Kagome晶格。层状杂化超晶格利用多样化的分子结构来周期性地调控相邻二维系统的介电环境或静电势垒，从而实现天然原子晶格或莫尔超晶格无法达到的调控范围，并获得其他方法难以实现的奇异量子特性。

系统地研究复合超晶格可能会孕育变革性的技术，包括用于更高能效的电子器件、自旋场效应晶体管、自旋发光二极管以及其他多种量子器件。考虑到当今半导体技术仅通过有限的异质结构和超晶格就能产生丰富的电子功能，这种具有近乎无限组合可能的复合超晶格将带来不可限量的机会。

图5 层状杂化超晶格中的三维人工势垒