一、研究背景

超晶格，是由不同材料的薄层交替组成的单晶材料，这些薄层的厚度一般在几纳米到几十纳米之间，不同薄层交替生长，按照周期重复排列，简单来讲，超晶格是一种特定形式的层状复合材料。由于是多种材料层叠构成，超晶格具有普通材料所没有的特殊性能，在半导体材料领域具有广阔发展前景。超晶格概念于20世纪70年代在美国被提出，在半导体物理领域具有里程碑意义，80年代以来直至今日，一直保持着较高的研究热度。按照异质结类型来划分，超晶格可以分为第一类超晶格、第二类超晶格、第三类超晶格三大类型，主要是以导带、价带产生方式，以及带隙能否调整来区分。按照成分与性质来划分，超晶格可以分为掺杂超晶格、组分超晶格、多维超晶格、应变超晶格等。超晶格因其在本征材料中不存在的有趣的电子、光学和磁性而引起了广泛关注。一般而言，传统超晶格是在具有相同维度的材料之间形成的（如三维（3D）-3D、二维（2D）-2D和一维（1D）-1D超晶格）。最近，2D材料的突破丰富了超晶格族，包括范德华异质结构、莫尔周期图案和随机插层化合物。例如，各种典型的超晶格，如六方氮化硼/石墨烯和扭曲石墨烯的莫尔超晶格，已经实现了((GeTe)_x/(Sb₂Te₃)_y)_n和有机分子（十六烷基三甲基溴化铵）插层黑色磷光体以及分子二硫化钼的混合。此外，还报道了插层化合物，包括铌基和钒基超晶格以及本征2D超晶格MnBi₂Te₄。这些超晶格具有量子自旋电子器件应用所需的潜在超导性和铁磁性。然而，这些超晶格大多通过外延生长获得，或通过不同方法堆叠2D材料组装。此外，就结构和尺寸而言，所报道的超晶格为3D-3D，2D-2D和1D-1D超晶格。实现在本征2D（或3D）材料和1D材料之间形成的本征异质维超晶格仍然是实验中的一大挑战。

二、研究成果

超晶格---两种或多种材料的二维层的周期性堆叠，为具有定制性质的工程材料提供了一种通用方案。北京理工大学周家东教授、姚裕贵教授和日本大阪大学Kazu Suenaga教授、北京大学吴孝松教授、南洋理工大学刘政教授等合作报道了一种由二维二硫化钒（VS₂）和一维硫化钒（VS）链阵列交替层组成的本征异质超晶格，通过化学气相沉积法直接沉积。这种独特的超晶格具有非常规的1T堆叠，具有通过扫描透射电子显微镜鉴定的单斜晶胞VS₂/VS层。当磁场在平面内时，观察到一个意想不到的霍尔效应，持续到380开尔文，在这种情况下，霍尔效应通常消失。这种效应的观察得到了理论计算的支持，并可归因于与一维VS链相关的面内磁场引起的面外Berry曲率引起的非常规异常霍尔效应。这项的工作拓展了对超晶格的传统理解，并将促进更非凡超结构的合成。相关研究工作以“Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺！

三、图文速递

图1. VS₂–VS超晶格的生长过程和光学图像

图2. VS₂–VS超晶格的原子结构

在这里，作者报道了通过一步化学气相沉积法（CVD）方法直接生长的钒（V）基二维超晶格中的异质本征超晶格结构。该超晶格是二维二硫化物钒（VS₂）层和一维硫化钒（VS）链阵列的周期结构，属于具有单斜对称性的C2/m空间群。这种结构在冶金中是不期望的。由于二维VS₂和一维VS阵列的存在，超晶格（VS₂–VS）显示出有趣的室温面内异常霍尔效应。这种效应的磁场角依赖性表明，只有沿特定晶体方向的磁化有贡献。强各向异性源于超晶格中独特VS链的一维性质。这项工作为探索具有优异物理性能的异质超晶格开辟了一条途径。值得注意的是，VS₂和V₅S₈可以通过CVD方法轻松获得。在实验中，通过控制生长条件成功地获得了VS₂-VS超晶格。在此，使用熔盐CVD法合成V基超晶格。生长方法如图1a所示。VS₂、V₅S₈和VS₂–VS超晶格的制备进行了讨论。通过控制硫的温度，在高生长温度和短生长时间（小于2分钟）下，获得了VS₂–VS超晶格。在低生长温度（低于730 ℃）和长生长时间（超过3分钟）下，获得VS₂薄片。图1b显示了VS₂–VS超晶格的光学图像，该超晶格是在V₂O₅∶碘化钾（KI）的前体比大于5:1的情况下合成的。可以清楚地看出，VS₂–VS超晶格具有针状形状。在2:1的低前驱体比下，获得超晶格阵列。这归因于汽-液-固生长机制。作者对超晶格的产率和稳定性在进行了讨论。进行拉曼光谱分析以确定VS₂–VS超晶格的振动特性。拉曼光谱四个主峰位于约90 cm^-1, 225 cm^-1 ,1345 cm^-1和455 cm^-1，如图1c所示，其与VS₂的拉曼光谱完全不同。超晶格的拉曼模式通过密度泛函理论（DFT）计算确定。作者进一步测量了厚样品的光学二次谐波产生（SHG），选择约990 nm的波长作为激发波长。在495 nm处明显出现SHG信号。SHG强度对方位角的依赖性如图1d所示。为了进一步说明超晶格中V的价态，进行了X射线光电子能谱（XPS），结果如图1e所示。可以清楚地看到V⁴⁺和V²⁺在超晶格中共存，这表明形成了V-S键。位于525 eV和517 eV的V 2P峰是由样品的氧化引起的。 

图3. VS₂–VS超晶格的详细分析

图4. VS₂–VS超晶格的输运测量

图3a显示了超晶格的彩色低倍率ADF俯视图，通过对比度可以很容易地区分层数（用圆圈标记）。图3b显示了最薄区域的ADF图像。作者发现，当VS阵列层暴露在表面时，其不稳定（参见图2c和3e）。因此，最薄的稳定结构是夹在VS₂两层之间的一个VS阵列层。图3b所示的快速傅立叶变换（FFT）图像显示了超晶格的结构信息，该超晶格分别由VS₂层和VS阵列的（1×1）六边形图案和（1×1/3）卫星点组成。此外，图3c、d（左）分别显示了最薄和第二薄VS₂–VS超晶格的放大ADF图像。相应的模拟结果（图3c，d，右侧）显示出与实验测量的良好拟合。然后，作者绘制出霍尔效应的磁场角相关性，如图4d-f所示。当磁场在z–y平面内旋转时，霍尔电阻率遵循正弦函数，与平面外磁场导致的传统霍尔效应一致。在磁场在x-y平面内旋转的情况下，霍尔电阻率在B||x时最大，而在B||y时消失，再次遵循简单的正弦函数。当场在z-x平面上旋转时，测量数据是具有相移的正弦函数，可以在不需要任何调整参数的情况下分解为IPHE和OPHE。角相关性可以用简单的三角函数很好地描述，这一事实表明，IPHE仅与场在x轴上的投影成比例。这一结果虽然看似微不足道，但却意味着一种极不寻常的自旋织构，这显然是超晶格特有的1D-VS链造成的，因为它打破了VS₂的三重旋转对称性。

四、结论与展望

在这项研究中， 作者使用CVD方法合成了垂直堆叠的VS₂–VS超晶格。STEM和横截面TEM结果清楚地揭示了VS₂–VS超晶格的原子结构，这在V基材料中尚未获得。在超晶格中首次观察到室温下的面内AHE。磁场角依赖性揭示了由1D-VS链导致的意外的面内各向异性。这项结果为合成超晶格和揭示新的物理性质开辟了一条途径。祝贺！

五、文献

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05031-2

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