主要研究成果2：针对二维半导体原子级厚度导致的光吸收能力不足问题，发展了二维半导体与多种功能材料无损集成技术，在异质结构中实现了光与物质强耦合效应，有效突破单一二维半导体光电物性限制，实现具备高灵敏度、高线性度、强稳定性、快速响应特征的光电探测器。
在光电探测器领域，二维半导体集合了可调带隙、光谱带宽广、响应速度快等诸多优点，在超快、非制冷、大面阵、柔性和长寿命光电探测器方面极具吸引力，但原子级厚度限制了材料的光捕获能力，且缺乏产生多倍载流子的光电导增益机制，器件灵敏度不足。针对这一关键问题，项目组在完成二维半导体表/界面质量调控，实现高性能晶体管的基础上，进一步结合能带匹配、缺陷控制、表面等离激元操控等机制/手段，研制了基于二维异质结构体系的高增益光电探测器，实现了高响应度、强稳定性、高线性度、快速响应时间等重要光探测性能的统一。
1）整体性能优越的非易失性光电子存储器设计：随着器件微型化不断逼近其基本物理极限，传统的沟道材料已难以满足进一步发展的需求。因此，新型替代材料具有原子级厚度的二维（2D）层状材料半导体存储器作为现代电子工业的核心元件是推动技术进步的关键力量。然而，随着摩尔定律逐渐逼近其物理极限，传统的通过缩小器件尺寸以提高单位面积存储密度的策略，如今正面临着技术复杂性与衍射极限的双重制约。为了突破这一瓶颈，开发高容量多比特存储器成为了一种极具潜力的替代方案，即每个存储单元能够实现2ⁿ个存储状态。在这一领域，非易失性光电子存储器（NOM）因其独特的光写入与电读出能力，能够实现多级存储操作，从而备受关注。与传统的集成了光电探测器和电子存储器的图像传感器相比，NOM能够直接响应光信号，从而显著简化图像采集电路。此外，其非接触式写入方式不仅简化器件了结构，还能有效抑制垂直漏电流。更为重要的是，通过特定的波长和偏振方向，NOM能够实现数据加密，这使其在保密信息记录、光通信和逻辑数据处理等领域展现出巨大的应用前景。其中，基于二维半导体及其范德华异质结构（vdWs）的NOM因其高吸收系数、可调带隙、结构灵活性以及由于其大比表面积带来的显著光生电荷俘获能力而备受关注。近年来，二维NOM的研究取得了显著进展。例如，基于石墨烯/二硫化钼（MoS₂）范德华异质结构的NOM通过结合MoS₂导电通道和石墨烯光吸收层，展现出优异的光响应特性。然而，由于石墨烯的高暗电流，其光/暗电流比（Ilight/Idark，其中Ilight和Idark分别表示有光和无光照射时的输出电流）较低（<10），限制了其在多比特存储中的应用潜力。尽管基于MoS₂/碳纳米管异质结构的NOM实现了10⁵的开关比提升，但由于异质结界面处局域载流子的有限寿命，其保持时间仅为<10³秒。此外，MoS₂/硫化铅异质结构虽然能够存储红外信号，但其开关比极低（<10），保持时间仅为10³秒。除了基于二维异质结构的NOM，单层MoS₂器件通过在SiO₂/MoS₂界面引入人工电荷陷阱，将保持时间显著提升至10⁴秒，但由于开关比仅为10³，其数据存储能力仍不足以满足实际应用需求。尽管上述研究在单一方面的性能提升上取得了显著进展，但到目前为止，尚未有报道能够在器件的整体性能上取得突破，尤其是在多比特存储能力、长数据保持时间和宽带光谱分辨能力方面。针对这一挑战，团队提出了一种新型的偏振分辨宽带NOM制备方法，该方法能够在保持超高开关比的同时实现超长数据保持时间。通过利用垂直堆叠的MoS₂/黑磷（BP）/MoS₂结构中黑磷氧化诱导的缺陷，成功实现了光调控存储能力。在光照，条件下异质结中光生载流子因内建电势而发生空间分离。II型范德华异质界面导致电子从BP向MoS₂转移，BP中留下局域空穴，从而在电子在沟道中循环时诱导出光导增益。该器件结构巧妙地结合了光电二极管的低噪声特性和光导体的高增益特性，实现了1.5×10⁷的超高开关比以及1.2×10¹⁶ Jones的创纪录探测率。同时，BP氧化引入的大量带隙缺陷态为实现超过6×10⁴秒的超长保持时间提供了关键支持。通过这种独特的器件设计，该器件不仅实现了高性能多比特存储（11个存储状态，每个状态546 nC），还具备了偏振和宽带光谱分辨能力，显著展示了其在高性能数据存储中的巨大潜力。相关论文发表在Advanced Functional Materials, 2021, 31(23): 2100781.
图1 二硫化钼/黑磷/二硫化钼（MoS₂/BP/MoS₂）多异质结存储器的结构和能带图。（a) 二硫化钼/黑磷/二硫化钼（MoS₂/BP/MoS₂）多异质结光晶体管的示意图。（b) 二硫化钼/黑磷/二硫化钼多异质结的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。插图：相应器件的光学图像。（c) 基于密度泛函理论（DFT）计算的氧化磷烯的能带结构。（d) 不同臭氧处理时间下的光响应存储特性。（e, f) 多异质结器件在（e) 暗态和（f) 光照条件下的能带图和光生载流子传输过程。其中，VB 和 CB 分别表示价带和导带，而“E”箭头表示偏置电场的方向
2）热电子光电探测器实现：在当今科学与工业领域，对低功耗、快速响应且高灵敏度的光电探测器的需求日益迫切。二维（2D）材料凭借其与入射光的高效相互作用，被认为具有作为光电器件核心材料的巨大潜力。然而，基于二维材料的传统光电探测器常面临响应速度缓慢和持续电流的问题，这主要是由于超薄二维沟道中不可避免地引入了陷阱态，以及这些陷阱态中载流子的长寿命所导致的。为了满足超灵敏和快速响应的应用需求，必须通过精心设计器件结构来高效分离光生载流子，并确保其快速收集。当光子能量超过金属的费米能级时，金属能够吸收光子并激发热电子，这一特性为光电探测器的制造提供了新的思路。热电子光电探测器（HEPs）通过吸收光子激发热电子，并利用内光电发射效应将其提取出来，从而实现亚带隙光探测，展现出广阔的应用前景。热电子的寿命极短，其热弛豫过程通常在几皮秒内完成。因此，为了有效利用热电子，必须在它们失去多余能量之前，以相同的时间尺度完成收集或提取（即电荷转移）。肖特基结中的内建电场能够高效分离光生电子-空穴对，从而为超灵敏和快速光探测提供了可能。此外，金属中的热电子可以通过隧道势垒注入到相邻的半导体中，从而显著降低暗电流。而具有高动能的单色热电子能够穿越能量势垒，产生光电流，从而实现对低于半导体带隙能量的入射光的探测。因此，HEPs不仅能够在弱光条件下实现超高灵敏度探测，还具备宽光谱探测能力。团队成功实现了基于肖特基接触的超灵敏、快速响应二硒化钨（WSe₂）热电子光电探测器（HEPs）。通过采用5 nm厚的Al₂O₃绝缘层，器件在Cr/Al₂O₃/WSe₂结处形成了势垒，有效抑制了暗电流。在光照条件下，光生载流子能够穿越Al₂O₃隧道层，从而产生显著的光电流。这一过程中，热电子的发射能量显著提升，载流子传输时间大幅缩短。电学输运测量结果显示，该器件具有高达10⁷的整流比。此外，WSe₂ HEPs在光电性能上表现出色：实现了3.69 A/W的高光电响应度（R），在入射光功率密度为5.0 μW/cm²时，探测率达到2.39×10¹³ Jones，光/暗电流比（Ilight/Idark）高达1.8×10⁶。这些结果表明，WSe₂ HEPs在低功耗、快速响应和高灵敏度探测方面展现出巨大的应用潜力。相关论文发表在ACS photonics, 2021, 9(1): 132-137。
图2 二硒化钨（WSe2）热电子光电探测器（HEPs）的示意图。(a–c) WSe₂热电子光电探测器的制备过程。(d) 器件在正向偏压下的能带对齐。(e) 器件在反向偏压下的能带图。(f) WSe₂热电子光电探测器的表面高度轮廓，插图为原子力显微镜（AFM）图像。
3）多功能异质结器件设计：随着单功能光电器件的性能逐渐接近极限，如何开发能够实现产品小型化和功能集成化的技术，已成为一个亟待解决的关键问题。目前，单片光电器件技术通过集成两种或更多单功能组件，推动了一系列令人振奋且充满前景的应用，进一步满足了无人技术和人工智能等新兴产业的需求。例如，人工视觉系统通常集成了高灵敏度的光电探测器以感知多种视觉输入、用于存储视觉信息的存储单元以及执行复杂图像处理任务的处理单元。尽管这些单功能集成能够提升器件性能和功能，但制造多种组件并将它们组装到芯片中，不可避免地会增加制造工艺的复杂性和成本。因此，开发具有多功能的单一组件显得尤为重要，这不仅有助于简化制造工艺、提高集成水平，还能拓展应用领域。二维（2D）材料因其各层之间较弱的范德华（vdW）力，为人工异质结的发展提供了独特机遇。迄今为止，通过垂直堆叠二维材料形成的多种vdW异质结已实现了包括p-n结、隧穿晶体管、可调反相器、光电探测器、发光二极管和非易失性存储器等多种功能和应用。然而，为了实现不同功能，人们通常需要根据材料的导电类型和能带结构设计不同的二维异质结架构。在这种情况下，能够实现功能切换的单一异质结显得尤为重要。尽管已有少数多功能异质结的报道，但它们仍然需要复杂的电极沉积和不同的测试端口来完成功能切换，这并非本质上是一个多功能集成的独立器件。此外，这些器件的功能主要集中在传统的电学功能，如二极管、晶体管、反相器、整流器等，尚未有报道能够实现可切换光电器件功能的设备。在性能方面，大多数已报道的器件以牺牲器件性能为代价来实现多功能操作。此外，多次材料转移不仅会增加制造工艺的复杂性，还会引入更多杂质以降低器件性能。因此，设计高性能且多功能的异质结器件仍然是一个挑战。在此，团队提出了一种二维缺陷工程异质结的新概念，以实现在单一器件中通过栅极控制光电器件存储器和光电探测器功能的切换。尽管界面缺陷通常被认为是问题所在，但缺陷工程已被证明是调节材料性质和创造新功能的简单方法。自由切换能力是通过平面黑磷（BP）/二硫化钼（MoS₂）异质结中黑磷氧化诱导的表面缺陷实现的，其中捕获的空穴能够诱导栅极电压控制的光门控效应，从而实现光电器件存储器和探测器的操作。在负栅极电压（Vgs = -60 V）下，当施加激光脉冲时，异质结中光生载流子因较大的内建电势而发生空间分离。II型异质结允许电子快速从BP转移到MoS₂，同时留下捕获的空穴以诱导高光增益，因为电子在沟道中循环。在这种情况下，该器件作为光电器件存储器运行，具有超低暗电流（0.13 pA）、超高开关比（3.5×10⁷）、卓越的多比特存储能力（90个状态）以及从紫外到近红外（UV到NIR）的宽带存储性能。在正栅极电压（Vgs = +20 V）下，BP层的费米能级向上移动，大量电子能够中和捕获的空穴，从而减弱光门控效应，将器件转变为能够快速响应光信号的探测器。因此，该器件展现出快速响应（130/260 µs）、稳定的光开关性能（750次循环）、自驱动宽带探测（375-1550 nm）以及红外偏振分辨能力（最大偏振比为6.98）。相关论文发表在Laser & Photonics Reviews, 2023, 17(2): 2200486。
图3 氟掺杂黑磷（f-BP）/二硫化钼（MoS2）异质结的结构示意图和材料特性表征。（a) 器件配置的示意图。（b) 器件的光学显微镜图像。插图：相应区域的原子力显微镜（AFM）图像。（c) 截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像及其对应的能量色散光谱（EDS）元素分布图。（d) 黑磷（BP）、二硫化钼（MoS₂）及其异质结的拉曼光谱。（e) 黑磷（BP）、二硫化钼（MoS₂）及其异质结的光致发光（PL）测量。（f) 氧吸附后层状黑磷的电势值。
4）亚带隙工程异质结实现高性能光电探测：由二维（2D）材料垂直堆叠而成的无外延范德华（vdW）异质结有着高质量的异质界面和可调节的能带对齐的特点。超薄异质结多样化的堆叠顺序，在电子和光电子学领域展现出巨大的应用潜力。大多数光电探测器是通过将2D p-n异质结与分离的p型和n型半导体相结合来实现的。这些异质结不仅展现出原子级别的突变界面，还因内建势垒的存在而实现了高效的光生载流子分离。2D异质结中的II型能带对齐已被证实能够促进亚带隙光子的层间跃迁，从而实现近红外（NIR）光探测。然而，这些亚带隙光电探测器通常表现出较低的光电响应度（例如，在1550 nm光照射下，MoTe₂/MoS₂的光电响应度仅为40 nA/W），这可能源于光吸收不足以及缺乏内部增益机制。因此，进一步增强2D vdW异质结中的光-物质相互作用，尤其是为了实现高效率的亚带隙光探测是非常重要的。从原理上讲，2D vdW异质结的光电器件特性主要取决于以下三个方面：(i) 异质结区域的光吸收能力；(ii) 光生载流子的产生及其空间分离效率；以及(iii) 对输出电流有贡献的电荷收集效率。为了满足这些要求，Ruddlesden-Popper层状钙钛矿家族的新成员，化学式为(RNH₃)₂(CH₃NH₃)ₙ₋₁AₙX₃ₙ₊₁，因其在高光吸收和长载流子扩散长度方面的显著优势，被认为是实现高性能光电探测器的有力候选材料。其中，X代表卤素（Cl⁻、Br⁻、I⁻），A代表金属阳离子（如Sn²⁺、Ge²⁺、Pb²⁺等），RNH₃⁺代表有机阳离子，n表示有机链之间的无机层数。与已报道的其他2D共价半导体不同，离子型2D钙钛矿（PVK）晶体因其离域键的特性，更容易形成超薄且大面积的单晶结构，从而为大规模应用提供了可能。同时，2D层状钙钛矿中的疏水性有机阳离子间隔层不仅为优异的环境稳定性提供了保障，还赋予了结构多样性。更重要的是，这些2D PVK晶体具有由Pb轨道诱导的高态密度直接带隙，展现出强烈的光-物质相互作用。然而，由于直接异质界面带隙的构建难度较大，将这些2D PVK晶体集成到基于p-n异质结的光电探测器中尚未取得成功。团队设计了ReS₂/(CH₃(CH₂)₃NH₃)₂(CH₃NH₃)₄Pb₅I₁₆单晶异质结，用于构建高灵敏度的亚带隙光电探测器。单独的ReS₂和2D PVK对红外光并无响应，但ReS₂/2D PVK异质界面的层间跃迁显著缩短了载流子跃迁的能量间隔，从而实现了对红外光的有效探测。ReS₂具有与厚度无关的直接带隙，并与2D PVK单晶形成了直接II型能带对齐。在这种结构中，2D PVK的价带顶和ReS₂的导带底均位于布里渊区的Γ点，这种0.4 eV的直接II型带隙能够显著增强异质界面处的光生载流子产生。得益于这种兼容性，器件实现了从375 nm到2000 nm的宽光谱响应。由于异质界面处较大的能带偏移，光生载流子能够高效分离，展现出快速的上升时间（τrise = 443 μs）和衰减时间（τdecay = 720 μs）。该器件能够在零偏压下作为自驱动光电探测器运行，实现了创纪录的1.8×10¹⁴ Jones的高探测率和约68%的令人印象深刻的外量子效率（EQE）。此外，器件在环境条件下放置7天后仍保持初始的光响应特性，展现出卓越的长期环境稳定性。因此，基于2D PVK的亚带隙工程异质结为实现高性能宽带vdW光电探测器提供了一种极具前景的解决方案。相关论文发表在Nano Letters, 2022, 22(24): 10192-10199.。
图4 二硫化铼（ReS2）/二维钙钛矿（2D PVK）异质结光电探测器的结构示意图和材料特性表征。(a) ReS₂/2D PVK异质结的示意图。(b) ReS₂/2D PVK异质结的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。插图：相应器件的光学图像。(c) 二维钙钛矿（2D PVK）和ReS₂/2D PVK异质结的拉曼光谱。(d) ReS₂/2D PVK的能带结构，其中在Γ点处的直接带隙值为0.4 eV。(e) 在红外光照射下异质结层间激发的示意图。(f) 单独的2D PVK和ReS₂/2D PVK异质结的光致发光（PL）信号。
5）超短斜沟道实现微缩器件：在当今半导体产业中，如何在芯片上集成更多功能组件始终是一个核心需求，这一需求推动了光电器件关键尺寸的持续缩小，目前已接近纳米级别。然而，随着器件尺寸进入纳米尺度，传统的硅基场效应晶体管（FET）面临着严峻挑战。为了有效抑制短沟道效应并维持静电控制，硅基FET的沟道厚度需小于沟道长度的三分之一。即便如此，纳米级厚度的硅沟道表面粗糙度依然过高，导致严重的表面散射，从而显著降低载流子迁移率。因此，寻找新型替代材料成为突破这一瓶颈的关键，其中二维（2D）半导体因其表面无悬挂键而备受关注。单层二硒化钨（WSe2）凭借其双极性特性、非零带隙以及高质量的晶圆级生长能力，成为深度微缩光电器件的有力候选材料。尽管已有大量研究聚焦于WSe2 FETs在逻辑和光电子领域的应用，但其光电性能的极限仍未被充分挖掘。传统微纳制造技术难以实现小于10 nm的沟道长度（LCH），这成为限制器件性能提升的主要瓶颈。近期，尽管有研究通过使用石墨烯或碳纳米管作为栅极电极将栅极长度减小到小于1 nm，但漏-源距离仍超过500 nm。这种架构下，较大的串联电阻导致驱动电流受限，小于30 μA/μm，从而掩盖了器件的本征光电特性。此外，尽管弹道输运在基础光电子应用中具有重要意义，但在实际器件中实现弹道输运仍面临巨大挑战。针对上述挑战，团队提出了一种创新的微缩方法，用于制造小于10 nm的斜沟道WSe2 FETs，以实现超大规模集成。通过原子层沉积（ALD）工艺，沟道长度（LCH）得以精确控制。在VGS = 10 V和VDS = 1 V的条件下，该器件实现了1.0 mA/μm的最大饱和电流（ISAT）和高达1.4×10⁸的开关比（ION/IOFF）。此外，首次对单层WSe2 FETs进行了准弹道输运分析，结果显示其弹道效率高达41%。超短斜沟道的设计不仅提升了器件性能，还使其具备了高灵敏度的光探测能力。与传统平面器件相比，该器件展现出更短的响应时间（0.4 ms）和更高的比探测率（D*，4.5×1014 Jones）。斜沟道设计利用了WSe2在面内和面外方向上的光学各向异性，赋予了器件偏振分辨能力,这一特性对于传统平面器件而言仍是一个难以攻克的难题。相关论文发表在Nano letters, 2023, 23(14): 6664-6672。
图5 斜沟道二硒化钨（WSe2）场效应晶体管（FETs）的制备工艺及特性。(a–f) 斜沟道WSe2 FETs的制备工艺流程，其中器件沟道通过原子层沉积（ALD）的Al2O3定义。(g) 典型WSe2 FET的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，展示6纳米的沟道长度。(h) 能量色散X射线光谱（EDS）元素分布图，显示了图(g)中元素的分布，揭示了钨（W）、硒（Se）、铝（Al）和金（Au）的元素组成。(i) 分别对原始单层WSe2、转移后以及转移后经ALD生长的Al2O3处理后的WSe2进行拉曼特性表征。
6）顶栅工艺实现双栅调制：随着硅基晶体管的尺寸不断微缩，其性能正逐渐逼近物理极限，同时也面临着静电控制失效、漏电流增加以及载流子迁移率下降等一系列问题。二维半导体凭借其超薄的体结构和原子级平整的表面，能够有效抑制短沟道效应。互补电路因其在逻辑运算中的高效性，已被广泛应用于先进电路设计中。然而，传统的掺杂技术，如高能离子注入或高温扩散，不仅会在晶格中引入缺陷，导致性能退化和长期稳定性问题，还会降低掺杂效率。这些问题使得传统掺杂技术难以适用于超薄二维材料。为了避免对二维材料晶格造成损伤，以往的研究主要集中在利用不同沟道材料的固有极性来实现低功耗互补电子学。尽管已提出一些方法来控制多数载流子类型，但载流子迁移率仍未达到理论极限。因此，如何在保持二维晶体管高性能的同时调节其极性，仍然是一个亟待解决的挑战。近年来，不依赖传统破坏性掺杂方法的静电掺杂技术引起了广泛关注，多种静电掺杂策略已被探索。多栅电极已被用于调节二维材料（如二硒化钨（WSe2））中晶体管的极性。然而，以往的大多数研究都采用了埋栅工艺，而用于多栅调制的顶栅工艺则鲜有报道。此外，大多数研究集中在器件的电学性能调制上，而对光探测性能的研究相对较少。鉴于二维材料的独特性质，其在构建光探测器方面具有显著优势。对于宽光谱光探测器而言，持续调节能带结构并实现对特定入射光的有效探测是至关重要的。因此，开展对光探测器能带对齐的连续调制研究显得尤为必要。团队通过使用两个顶栅制备了电学动态可配置的WSe2晶体管，这两个顶栅能够精确定义沟道区域的极性。通过调节两个独立的栅极电压，可以局部调制WSe2沟道的极性，从而在单个薄片中实现n型和p型WSe2局部区域。基于此，构建的n型和p型反相器展现出高达19.9和12.1的电压增益。通过在均匀沟道中连续调节能带对齐，并利用不对称金属接触，器件从n–n、p–p演变为n–p、p–n二极管，展现出卓越的理想因子和高整流比。此外，通过适当调节势垒高度构建p型/本征/n型（p–i–n）同质结，器件能够实现从可见光到近红外波段的自驱动宽光谱光探测，具有高达1×10⁵的光/暗电流比（Ilight/Idark）、快速的响应和恢复时间（分别为553 μs和604 μs），以及高效的光伏能量转换，输出功率高达3.57 nW/μm。因此，这些电学可配置晶体管不仅简化了组装难度，还为未来的电子学和光电子学开辟了新的道路。相关论文发表在Advanced Functional Materials, 2023, 33(48): 2305490。
图6 器件配置及工作原理。（a) 双层栅（DTG）二硒化钨（WSe₂）晶体管的示意图。（b) 对应的扫描电子显微镜（SEM）图像，比例尺为5微米。（c) WSe₂沟道的拉曼光谱。（d) 不同栅极电压配置下WSe₂沟道的能带图（上图）和载流子分布的模拟结果（下图）。渐变色表示沟道中多数载流子的分布。
7）纳米线光电探测器性能增强：在这里，团队设计并制造了一种轴向不对称的GaAs/AlGaAs/GaAs（G/A/G）纳米线（NW）光电探测器，该探测器能在室温下高效运行。基于I型能带结构，该器件能够实现一个二维电子-空穴管（2DEHT）结构，从而显著提升性能。观察到2DEHT在GaAs/AlGaAs势垒两侧的界面形成，这为电子和空穴传输构建了有效的通道，减少了光生载流子的复合并增强了器件的光电流。特别是，G/A/G NW光电探测器展现出0.57A/W的响应度和1.83×1010Jones的探测度，这些比纯GaAs NW器件的相应参数高约7倍。利用2DEHT结构，复合概率也从81.8%显著降低到13.2%。所有这些都能明显证明适当的能带结构设计对于促进高性能光电器件中光生载流子的产生、分离和收集的重要性。相关论文发表在Nano letters, 2020, 20(4): 2654-2659。
图7 （a） G/A/G NW光电探测器制造过程的示意图。（b） 制造出的单个G/A/G NW光电探测器的扫描电子显微镜（SEM）图像，插图显示了异质结区域。（c） G/A/G NW通道沿径向的能量带图。
8)范德华间隙的精准调控:范德华（vdW）集成技术的兴起为不同二维（2D）晶体的组合与应用带来了前所未有的灵活性。具有埃（Å）级高度的范德华间隙就是范德华集成技术的衍生方向，该方向具有极大的前景。首先，通过调控范德华间隙，可以精准调节二维材料的层间距、相组成以及电子和光学性质。其次，将范德华间隙设计于范德华结构中，可以开发出具有定制性能的功能器件。此外，埃级间隙可以用来探索材料科学中极端微小尺度下奇异现象。极小的范德华间隙（亚纳米级），其高度甚至可以小于最小水合离子的直径。此时可作为一种选择性渗透孔，在水过滤、分子/离子分离和海水淡化等领域展现出巨大的应用潜力。然而，纳米尺度上范德华间隙的构建一直面临技术瓶颈。一旦范德华相互作用形成，由于其高度主要取决于范德华相互作用的最低势能以及所涉及原子的固有特性，因此难以对间隙高度进行调整。目前，调整这些间隙的策略主要依赖于电化学插层技术（强行将客体粒子插入宿主材料的范德华层之间）。这种方法会引入某些有机大分子或碱金属离子显著改变宿主材料的电子特性，同时导致稳定性下降。此外，该方法对范德华间隙高度的调控能力有限，且仅适用于特定的材料体系。目前仍未出现一种普遍适用的范德华间隙打开与控制方法。团队提出了一种全新的范德华间隙调控方法：通过在材料表面预吸附水分子来组装范德华结构。借助设计的实验装置，通过调节水蒸气的饱和蒸汽压（SVP），可以精确控制水分子的吸附量，并在埃级尺度上实现范德华间隙的打开和调节。实验以二维二硫化钼（MoS₂）作为代表性材料，结果揭示了随着饱和蒸汽压增加，水分子在MoS₂表面吸附的动态演变过程，并展示了MoS₂同质结的范德华间隙高度（hvdW）从5.5 Å增加至53.6 Å。经过扫描透射电子显微镜（STEM）表征后发现，所创建的范德华水间隙在不同高度下均展现出原子级平整且洁净的界面。这种间隙工程方法不仅适用于所有二维系统，甚至可以拓展至三维体系，且吸附前驱体也可扩展至不同溶液中，以形成多种分子或离子间隙。团队还进一步证明了这种间隙工程在功能器件领域具有巨大潜力。相关论文发表在Nature Nanotechnology, 2024, 19(4): 448-454。
图8 传统范德华（vdW）集成和范德华间隙工程的示意图和结构表征。（a） 以MoS2同质结为例的典型vdW集成的示意图。（b） 通过vdW集成形成的vdW界面的横截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像；这里1-MoS2和2-MoS2层组装成一个新的具有整洁层状特征的MoS2层。（c） 通过水分子吸附实现的vdW间隙工程的示意图，其中水分子通过加热超纯水产生饱和水蒸气预先吸附在材料表面。2-MoS2预先吸附水分子，并进一步与干净的1-MoS2组装vdW结构以创建vdW间隙。（d） 通过vdW间隙工程形成的vdW界面的横截面STEM图像，显示出清晰的vdW间隙，同时保持原子级锐利和干净的界面。比例尺，5纳米（b，d）。