二維材料相關研究近年來呈現出爆發式的增長趨勢，因其高縱橫比的片狀結構，大比例暴露活性位和易加工。一方面，探索2D分子材料的制備、結構和性能是突破這一科學瓶頸的新途徑。另一方面，對已知2D材料的已知性能的可視化解釋也成為突破二維材料應用的另一大難題。比如這些年，紅的發紫的石墨烯材料，我們都知道當兩層石墨烯一層放在另一層上面，并在它們之間扭曲一個非常小的角度時，就會形成一個"摩爾紋"，事實證明該系統的物理特性會發生巨大的變化，可怎樣捕捉這些變化也是一個非常棘手的問題。
2022年5月4日，《Nature》期刊以背靠背形式刊登了南京大學電子科學與工程學院王欣然教授和其合作者團隊、王肖沐教授和其合作者團隊在新型二維材料領域的最新研究成果，相關論文題為 “Uniform nucleation and epitaxy of bilayer molybdenum disulfide on sapphire” 和 “Observation of chiral and slow plasmons in twisted bilayer graphene” 為題，分別揭示了通過邊緣成核和外延在藍寶石襯底上形成均勻的雙層高度定向可擴展的MoS2 薄膜，以及對具有高度有序莫爾超晶格的宏觀 tBLG 中兩種新的等離子體模式的直接觀察，為新電磁動力學提供了結構和機理方面的新見解。第一篇王欣然教授、Li TaoTao為共同通訊作者，課題組Lei Liu, Taotao Li, Liang Ma, Weisheng Li, Si Gao, Wenjie Sun, Ruikang Dong等7位研究人員為共同第一作者；第二篇施毅教授、王肖沐教授為共同通訊作者，Tianye Huang和Xuecou Tu為共同第一作者。兩篇論文的第一作者和通訊作者單位均為南京大學。
近年來，二維過渡金屬二硫化物 (TMD) 對超越硅的電子產品很感興趣。有人提出，與單層相比，雙層 TMD 可能會改善晶體管的能量延遲積。因為他們有更小的帶隙，更高的遷移率和良好的靜電控制。然而，盡管單層 TMD 的生長取得了進展，但多層的受控外延生長仍然是一個挑戰。
在第一篇文章中，南京大學王欣然教授、施毅教授團隊聯合東南大學王金蘭教授團隊，報告了雙層二硫化鉬 (MoS2) 在 C-Plane藍寶石上的均勻成核 (>99%)。同時，設計了C-Plane藍寶石上的原子平臺高度，以實現邊緣成核機制和 MoS2 域聚結成連續的厘米級薄膜。與基于單層薄膜的 FET 相比，基于雙層 MoS2 通道制造的場效應晶體管 (FET) 器件在遷移率（高達 122.6?cm2?V-1?s-1）和變化方面有顯著改善。此外，短溝道 FET 的通態電流為 1.27?mA?μm?1，超過了 2028 年高性能 FET 路線圖的目標。
這項工作不僅向讀者們展示了一種具有高性能雙層 MoS2二維膜材料，同時為 TMD 增長中的精確層控制提供了一般策略，雙層 MoS2 是一種更具競爭力的通道材料，這也提供了一種可能為提高晶體管驅動電流，同時降低 3D 垂直堆疊的復雜性，以實現最終路線圖晶體管技術。
圖 1 雙層 MoS2 在 c 面藍寶石上的階梯形成核
在具有弱層間耦合的垂直范德華同質或異質雙層膜中，層間的有限扭曲角會導致莫爾超晶格的形成，該超晶格將周期性調制原子結構、能量和光學選擇規則。在接近魔角的石墨烯雙層膜中，以～0.05～0.1°的精度控制扭曲角，可以得到完全不同的相關聯電子相，包括超導電性、軌道磁性和相關絕緣體態。扭曲雙層石墨烯 (tBLG) 中的莫爾超晶格顯著改變了其組成結構的電子特性。
盡管 tBLG 中的等離子激元傳播近場納米成像技術研究了基面，但這些等離子體的一般電磁特性和性質仍然難以捉摸。
圖 2 tBLG 中的手性等離子體模式
為了突破這一技術難題，在第二篇文章中，南京大學王肖沐、施毅教授團隊聯合電子科技大學和美國明尼蘇達大學，報告了對具有高度有序莫爾超晶格的宏觀 tBLG 中兩種新的等離子體模式的直接觀察。研究者使用 tBLG 的螺旋結構納米帶，確定了由于未補償的 Berry 而產生的手性等離子體的特征光泵浦下的電子氣通量。這些手性等離激元的顯著特征通過它們對光泵浦強度和電子填充的依賴，以及與最大貝里通量的光譜窗口一致的明顯共振分裂和法拉第旋轉來顯示。此外，研究者們確定大約 0.4?電子伏特的慢等離子體模式，它源于晶格松弛 AB 堆疊域中嵌套子帶之間的帶間躍遷。這種模式可能會為備受追捧的中波紅外光譜窗口內的強光-物質相互作用開辟機會。我們的結果揭示了小角 tBLG 的新電磁動力學，并將其作為獨特的量子光學平臺。
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