斯坦福大學崔屹Nat Rev Mater：二維材料的靜電門控和插層研究進展

【導讀】

?長期以來，尋求符合設計的材料的想法不斷促使科學家們對材料進行調控以獲得所需的功能。幾個世紀以來，已經開發了多種控制和調制工具來調整材料特性，例如通過摻雜、相位控制、缺陷和應變。在過去的幾十年中，為了設計其電學、光學和結構特性而將電子、空穴或離子按需引入主體材料已被廣泛用于實現半導體技術的革命性進步，從而產生了客體（原子、離子、分子）修飾的概念。通過客體調控或摻雜以獲得所需的材料性能一直是材料科學的研究前沿。然而，許多材料中緊密堆積的晶格結構限制了該策略的適用性。二維層狀材料的出現引起了人們對利用這種方法的興趣，通過兩種重要的策略，門控和插層，在不破壞化學鍵的情況下實現宿主材料性能的可逆調制。此外，這些動態可調的技術使新型雜化材料的合成成為可能。

【成果掠影】

近日，斯坦福大學崔屹和Harold Y. Hwang回顧了客體物質和主體二維材料之間的相互作用如何調整材料的物理和化學，并討論它們在創造傳統方法無法企及的人造材料和結構方面的巨大潛力。相關成果以“Electrostatic gating and intercalation in 2D materials”發表在Nature Reviews Materials上。

【核心創新點】

系統總結了客體物質和主體二維材料之間的相互作用，為未來人造材料的制造指明一條新道路。

【數據概況】

圖 1 二維材料和客體之間的相互作用

a,二維材料和客體。 b,二維材料的客體替代摻雜。 c,二維材料的客種門控。 d,二維材料的客體插層。

圖2 客種門控方法

a-c,傳統的電介質氧化物柵極（a部分）、離子液體柵極（b部分）和固態離子柵極（c部分）。 a部分的箭頭表示電介質極化方向。藍色和紅色球體代表帶正電和帶負電的客體。 d,面積電容和可以施加的柵極電壓的相應絕對值。固態電介質的電容值通過平行板電容器模型計算：C_g=(ε₀×ε_d)/d_d，其中ε₀是自由空間的相對介電常數，ε_d是電介質的面外介電常數， d_d是電介質的厚度。離子門的電容值是從文獻中獲得的。固態電解質用紅點表示，而液體或凝膠電解質用藍點表示。面積電容和柵極電壓的乘積表示表面摻雜濃度（虛線）。對應于導致金屬和絕緣行為的載流子密度的繪圖區域分別用藍色和紅色陰影表示。 DEME-TFSI，二乙基甲基（2-甲氧基乙基）銨雙（三氟甲基磺酰基）亞胺； hBN，六方氮化硼； LiClO₄，高氯酸鋰；PEO，聚（環氧乙烷）。

圖3 二維材料中的門控調制和相位圖

a，離子門控雙層MoS₂器件的超導相圖，如箭頭所示，顯示一個單側柵極和兩個雙側柵極。單面器件的超導起始點接近載流子密度n_2D?=0.6×1014 cm^-2，雙面器件的載流子密度為1.8×1014 cm^-2。T_c0定義為電阻達到正常電阻50%時的轉變溫度。伊辛保護意味著具有強伊辛型自旋軌道耦合的耦合超導狀態。b，1T-TiSe₂?在電子摻雜下通過離子門控的相圖，顯示了對電荷密度波 (CDW) 轉變溫度 (TCDW) 和超導轉變溫度 (TK-T，Kosterlitz-Thouless 型) 的控制轉變溫度。 c，隨著柵極電壓和溫度的變化，三層 Fe₃GeTe₂?樣品的相圖。d，Cr₂Ge₂Te₆的單軸磁各向異性場作為不同柵極偏置值的溫度函數原始Cr₂Ge₂Te₆的易磁軸位于面外方向（H_u < 0），而面內自旋方向為在門控Cr₂Ge₂Te₆(H_u>0) 中更穩定。 e，拉曼強度顯示了MoTe₂的1T?和2H相之間的門控結構轉變。強度比F=1T?(Ag)/[1T?(Ag)+2H(A1?)]代表樣品中1T?相的比例，其中Ag和A1?分別代表1T?相MoTe2的Ag拉曼模式和2H的A1?拉曼模式MoTe₂相。黑色和紅色曲線分別顯示增加和減少的柵極電壓。拉曼強度比與柵極電壓的滯后表明 MoTe₂在 2H和1T?相之間的柵極控制結構轉變。 f，單層WS₂（Δn和Δk）折射率的實部和虛部隨柵極誘導載流子密度的變化。該示意圖顯示了頂部帶有離子液體的復合 SiN-WS₂波導。

圖4. (去)插層的效果和進展

a-b,電荷轉移過程引起的摻雜效應的示意圖（a部分）和能帶圖（b部分）。c,插層劑和主體二維材料之間的化學鍵合形成。d,氧脫嵌過程將具有鈣鈦礦結構的Nd_0.8Sr_0.2NiO₃薄膜轉變為具有無限層結構的Nd_0.8Sr_0.2NiO₃薄膜。e,鉭插層Ta₇S₁₂的頂視圖（頂部）和側視圖（底部）自旋密度等值面，表明插層鉭原子表現出凈自旋密度。 f,電化學插層黑磷以獲得單層原子晶體分子超晶格的平臺。可以使用拉曼光譜原位監測嵌入過程。g,光學顯微鏡圖像展示了SnS₂、Cu-SnS₂和 Co-SnS₂在單片納米片中的無縫集成，晶體的顏色很大程度上取決于插層劑的種類。 CTAB：十六烷基三甲基溴化銨。

【成果啟示】

總言之本文重點研究了應用于二維層狀硫族化合物和氧化物的客源物質調控。首先介紹兩種主要的技術，可用于客源物質調諧，靜電門控和插層。簡要討論了各種工藝的機理和實驗設計。然后，介紹了客體物質調控所帶來的令人振奮的進展，包括面向應用的工作和新現象的發現。最后，展望了在二維層狀硫族化合物和氧化物中進行離子調諧的巨大可能性，以及將這種方法推廣到其他材料家族的前景。

參考文獻：Wu, Y., Li, D., Wu, CL. et al. Electrostatic gating and intercalation in 2D materials. Nat Rev Mater (2022).

https://doi.org/10.1038/s41578-022-00473-6