固体异质结及超晶格结构在推进凝聚态物理的发展和设计功能性电子、光电子器件等方面有重要意义。二维原子晶体相邻层间为范德华作用力，非键合的范德华层间允许外来分子/离子插入的同时并不破坏二维材料共价键合的面内结构。这种由二维原子晶体和功能性分子/离子层组成的具有原子级界面的二维杂化超晶格结构，可以有效地将二维材料丰富的物理特性同可设计的分子功能协同结合，得到一个基于二维材料的可功能定制与性质调谐的人造量子固体平台。
目前，杂化超晶格结构主要可以通过化学插层和电化学插层方法制备。然而，这两种方法对二维材料和功能分子层的选择均有较大的局限性。化学插层过程通常需要插层分子与二维材料之间的电荷转移作为驱动力，因此目前仅适用于一些金属性或半金属性的二维材料（如TiS2、TaS2、NbS2等）及具有较强还原性的分子（如有机胺、肼等）。电化学插层可以施加一个外电压作为反应驱动力，但通常仅适用于在插层电化学电压下稳定的分子（如季铵盐分子）。
为了能极大地扩展杂化超晶格中组成单元的种类和功能，美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队提出了一种普适性强的模块化自组装方法。我们可以将二维原子晶体层和功能性分子/离子层视为乐高积木的结构单元，利用二者之间的静电相互作用进行任意组合，形成结构多样的杂化超晶格。以MoS2作为模型体系，首先通过正丁基锂剥离制备MoS2单层分散液，剥离的单层纳米片表面带有负电。实验表明，MoS2可以同一系列可质子化的有机胺分子及带正电荷的氨基酸分子、碱基分子、配合物阳离子、高分子等多种类型的分子/离子通过静电自组装过程形成交替有序的杂化超晶格结构（图1，图2）。
同时，研究团队也利用MoS2体系，对该静电自组装过程的基本机理进行了系统的研究。研究结果表明，静电自组装过程从根本上是受电荷平衡及静电力与范德华相互作用之间的平衡控制的，并遵循基于经典Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）胶体理论的Debye-Hückel近似下的Schulze-Hardy定则（图3）。
此外，研究团队将该方法扩展至多种二维材料例如TiS2、TaS2、WS2、MoSe2、SnSe、Bi2Se3、In2Se3及MXenes材料如Ti3C2Tx等，现已成功合成了53种杂化超晶格结构，并发现了一些杂化超晶格材料具有许多新奇的物理特性，例如：TaS2/tBA超晶格的形成显著提高了2H-TaS2的超导转变温度；手性氨基酸分子的加入将分子手性引入到二维超晶格中；MoS2/Co(en)3Cl3超晶格自组装过程中的电荷转移使得材料整体具有两种组分中均不存在的磁有序性（图4）。这种模块化自组装构建二维杂化超晶格的方法，开辟了一个对二维材料基本物性的调控途径，可用于建立一个系统的多功能人造量子固体平台，实现对结构和性质的定制设计和精准调控，在电子学、光电子学、自旋电子学等领域具有重要意义。
该论文由加州大学洛杉矶分校段镶锋教授课题组和黄昱教授课题组合作完成，论文第一作者为博士后周劲媛，通讯作者是段镶锋教授。本项研究的材料合成工作得到了加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所Noble Family创新基金（CNSI Noble Family Innovation Funding）的支持，物理性质测试方面得到了美国海军研究办公室（the Office of Naval Research）的支持，结构表征工作得到加州纳米系统研究所（CNSI）电子成像中心和纳米电子研究机构的支持，部分透射电子显微镜表征工作得到了加州大学尔湾分校潘晓晴教授及闫星旭博士的大力支持，部分二维晶体由布拉格化工大学Zdenek Sofer教授提供。
Cell Press细胞出版社公众号特别邀请段镶锋教授代表研究团队接受了专访，为大家进一步详细解读。
我们知道杂化超晶格是由二维原子晶体（2DACs）和自组装分子层组成的一类材料，应用领域广泛。那么请问段教授，您是如何踏上研究杂化超晶格之路的呢？
关于杂化超晶格的研究之路，我们团队的研究有一个演化和推进的过程。可以最初追溯到关于二维异质结的研究。传统异质结的形成通常涉及一一对应的共价化学键，需要材料具有高度匹配的晶格结构和工艺兼容性。而二维原子晶体的层间为范德华作用，通过弱的范德华相互作用将构建单元进行组合，可以突破晶格匹配和加工工艺的限制，实现无化学键的范德华异质结构。
基于这一基本概念，我们在早期的研究中开始探索非层状材料的范德华异质结构，其中包括二维材料与传统三维固态材料之间的范德华异质结构，例如范德华栅极。我们还对二维三极管中的范德华栅接触进行了深入研究。
这些非传统层状材料范德华异质结构的工作都是该项研究最初的萌芽。随后，我们开始思考如何突破材料维度及传统固态材料的限制，进而制备、探索了二维原子晶体与自组装分子层之间形成的范德华超晶格结构，即杂化超晶格。由于分子材料在设计与合成上的极大的灵活性，可以将更多如荧光、磁性、手性等性质同二维材料有机结合。在协同作用下，这种结合展现出更多二维/二维所不具备的新奇物性，从而实现对其基本物性的设计与调控。我们大概在2013年左右即开始了这一方面的探索，第一个工作发表在2018年。
到目前为止，我们看到多数报道中提到的是：原子-分子杂化超晶格大多是通过直接的化学或电化学插层方法制备的，而您在该研究中选择用模块化静电组装方法进行超晶格，请问文中所提出的方案相比其他制备技术，有何突出优势？
关于化学或电化学这两种插层方法，我们的团队也进行了大量相关工作，并在这个过程中发现它们在选择二维材料和功能性分子方面存在一些局限性。化学插层通常需要插层分子与二维材料之间的电荷转移作为驱动力，因此目前仅适用于一些金属性或半金属性的二维材料（如TiS2、TaS2、NbS2等）及具有较强还原性的分子（如有机胺、肼等）。而电化学插层则要求所选用的分子在插层电压下是稳定的，目前报道较多的是季铵盐分子，而很难适用于具有光电功能的共轭分子或磁电功能的过渡金属络合物分子等。
为了突破反应活性和电化学稳定性的限制，从而创造包含更多丰富物性的二维材料和功能分子之间的杂化超晶格结构，我们发展了一种模块化静电组装的方法。这种方法极大地扩展了杂化超晶格中组成单元的种类。通过这一方法，有望实现更多物性的协同组合，对未来固体磁光电材料及量子材料的发展具有重要意义。这意味着我们能够克服现有方法的限制，为杂化超晶格的设计和构建提供更灵活、多样的选择，为材料科学领域带来新的可能性。
文中指出，这一构建杂化超晶格的策略具有高度的适用性，包括对不同物理性质的2DACs，2D结构的金属、半导体、超导体或拓扑绝缘体。您认为该策略的高普适性的原因出自何处？
如前所述，该模块式组装方法不依赖于电荷转移或外加电压作为反应驱动力，而是通过静电力来驱动组装过程。该方法的第一步是采用插层剥离的方法得到二维材料的单层分散液，因此，理论上所有可进行插层的二维材料均适用于这一方法。而且，各种插层方法适用于绝大多数二维层状材料，因此这种自组装的方法对金属、半导体、导体或拓扑绝缘体等多种二维材料都具有高度普适性。这意味着我们能够广泛地应用这一方法，为各种类型的二维材料提供了一种通用的组装策略。这种高度适用性使得我们能够更加灵活地设计和构建具有不同性质的杂化超晶格结构，为材料科学的发展带来了更广泛的可能性。
文中团队通过模块化方法构建了原子晶体层和自组装分子层交替组成的层状杂化超晶格。您认为建立这样模块化的方法有什么指导意义呢？
这种模块化组装的方法突破了晶格匹配、能级匹配等方面的限制，使我们能够像搭建乐高积木一样，根据所需功能任意选择搭配组装。这为实现根据所需性质有目的性地设计合成材料这一在传统固态材料中较难实现的重要目标提供了新的途径。基于丰富的二维材料结构和具有无限可能的分子合成灵活性，我们能够实现对材料的定制化合成。根据所需的目标性质，可以选择合适的构建单元进行模块化组装，从而创建具有协同耦合性质的杂化超晶格。
这意味着我们将拥有一个灵活且高度定制化的研究平台，为未来材料科学的发展提供了更为广阔的前景。
今年是Cell Press成立50周年暨Matter创刊五周年，最后，想请段老师与我们分享一下对于Cell Press及旗下材料旗舰期刊Matter的期待与展望。
Cell Press旗下的Matter正逐渐成为全球顶尖的材料科学期刊，其刊载的一些文章为我们的研究工作提供了重要的启示。我们期待Matter期刊持续发表具有创新性和高影响力的材料科学研究，同时也期盼Cell Press和Matter通过更多的论坛、网络研讨会等学术活动积极参与材料科学界，促进学术社区的协作交流。最后，衷心祝愿Matter期刊越办越好，为材料科学领域的前沿研究和知识交流做出更大的贡献。
段镶锋，加州大学洛杉矶分校，教授。专注于功能材料的设计、制备与调控，及其在新能源领域及未来信息器件中应用探索。
周劲媛，加州大学洛杉矶分校，博士后。主要从事二维纳米材料的插层、剥离及自组装方面的研究。迄今为止与合作者一起在Nature、Nat. Nano.、Nat. Synth.、Chem.、J. Am. Chem. Soc. 和Adv. Mater.等期刊发表研究论文30余篇。
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
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