理工學院錢琦教授在Nature上發表文章
盡管創建新型異質材料對于推進量子技術的發展至關重要，然而在材料組成差異和界面雜質方面存在諸多挑戰。近日，香港中文大學（深圳）理工學院錢琦教授與加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授、黃昱教授課題組合作在Nature上發表展望文章 “Layered Hybrid Superlattices as Designable Quantum Solids”。這項工作提出了將原子、分子插入層狀二維原子晶體范德華間隙，構筑層狀雜化超晶格的方法與應用前景。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07858-3
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【期刊介紹】
Nature期刊是世界領先的跨學科學術期刊，創刊于1869年。每周刊登不同學科領域內最具開創性、最前沿、最重要的學術論文，是當前科研領域的風向標。在2023年，Nature期刊的影響因子高達50.5。
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【研究背景】
現代技術革命主要講述了兩種材料的故事：構成信息技術基礎的固態材料和用于化學技術與醫學的合成分子系統。固態材料通常在高溫（例如，>1000°C）下制備，具有熱力學決定的晶體有序性，這對于其出色的電子性能至關重要，但通常定制空間有限。另一方面，合成分子系統通常在相對較低的溫度（例如，~100°C）下制備，顯示出豐富的結構與功能，但通常過于脆弱，難以穩固地集成到固態設備中。構筑有機-無機復合系統，則可以利用分子的尺寸、對稱性和功來調整固態材料。這將極大地豐富固態系統并使其能夠實現全新的人工固體，然而，由于固有的結構差異和迥異的加工條件，這些材料很難通過傳統的固態反應或外延方法制備，成為限制有機-無機復合系統進一步發展的全球性挑戰。
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【研究內容】
為應對這些挑戰，錢琦教授團隊提出：利用二維原子晶體可以將這兩種截然不同的材料系統結合起來，創造出一種動力學穩定、性質可控、模塊化的新型合成固體。二維原子晶體層間是范德華間隙，允許插入各種分子而不會破壞已有的共價鍵，從而產生豐富的層狀雜化超晶格 （LHSL）。層狀雜化超晶格具有以下幾個顯著優勢：（i）分子層兩側高度有序的二維晶體模板提供了強大的驅動力來引導分子有序排列；（ii）插層分子與二維晶體模板之間的范德華相互作用讓分子有更大的流動性，可尋找最低能量狀態并進行有序自組裝；（iii）二維原子晶體為分子提供了強大的物理保護和電子界面，從而能夠讓分子更穩固地集成到固態設備中。最終把具有不同化學成分和量子特性的體系編織成一體化的人工固態材料 （圖1）。
圖1 多樣層狀雜化超晶格
盡管有機分子被認為與經典的、需要超潔凈環境的量子物理不兼容，但是不同拓撲系統的穩健性已證明其高度缺陷容忍特性。通過合理的分子設計和多功能集成策略，有機-無機雜化系統可以將分子復雜性引入固態體系，同時具有豐富的量子特性和穩定的固態環境，實現和利用非常規電子態。實驗上已經在不同層狀雜化超晶格體系中觀測到了包括可控能隙、強二次諧波生成、手性自旋選擇效應、非常規超導等在內的獨特量子現象，并有望在高溫磁性半導體材料、鐵電Rashba半導體材料、室溫激子體系的開發和物性研究上取得突破（圖2）。
圖2 關于層狀雜化超晶格的量子特性研究
另一方面，自組裝分子層在x-y維度上提供了二維人工勢壘，交替的二維原子晶體與分子層提供了z軸方向的勢壘變化。因此，復合超晶格是一個可以實現三維人工勢壘調控的平臺（圖3）。鑒于在具有一維人工勢壘調控的材料（半導體超晶格中的二維電子氣、量子級聯激光器和高電子遷移率晶體管）或二維人工勢壘調控的材料（可調電子-電子關聯、平帶結構、非常規超導性和二維莫爾超晶格中的Hofstadter蝴蝶）中觀測到的許多奇異現象以及實現的獨特器件，我們對具有三維人工勢壘調控潛力的層狀雜化超晶格充滿期待。此外，通過創新的插層手段，層狀雜化超晶格系統有望構筑三維摩爾超晶格體系，并通過使用金屬有機骨架(MOF) 和共價有機骨架(COF) 材料創建更加豐富的結構，如Kitaev honeycomb 晶格或Kagome晶格。層狀雜化超晶格利用多樣化的分子結構來周期性地調控相鄰二維系統的介電環境或靜電勢壘，從而實現天然原子晶格或莫爾超晶格無法達到的調控范圍，并獲得其他方法難以實現的奇異量子特性。
系統地研究復合超晶格可能會孕育變革性的技術，包括用于更高能效的電子器件、自旋場效應晶體管、自旋發光二極管以及其他多種量子器件?？紤]到當今半導體技術僅通過有限的異質結構和超晶格就能產生豐富的電子功能，這種具有近乎無限組合可能的復合超晶格將帶來不可限量的機會。
圖3 層狀雜化超晶格中的三維人工勢壘
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【作者簡介】
理工學院錢琦教授為本文共同第一作者。
錢琦，現任香港中文大學（深圳）理工學院助理教授, 博士生導師。本科畢業于吉林大學，博士畢業于普渡大學，師從Michael Manfra教授，隨后在加州大學洛杉磯分校從事博士后研究，師從段鑲鋒教授。近年來，錢琦教授在新型量子材料與器件、光電功能器件的構筑及輸運性質研究領域取得了一系列突破性成果，以第一作者及通訊作者身份發表論文十余篇，包括Nature（2篇），Nature Nanotechnology（2篇），Nature Communications等。錢琦教授曾獲得《麻省理工科技評論》亞太區“35歲以下科技創新35人”、美國材料研究學會博士后成就獎、加州大學校長博士后獎提名、Lark-Horovitz物理學獎等獎項。?
因課題組發展需要，誠聘博士后科研人員若干名。同時歡迎對本課題組研究方向感興趣的本科生和碩士生攻讀本組研究生。
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供稿 | 錢琦教授團隊
