北京理工大学周家东团队，最新Nature！

超晶格是两种或两种以上材料的二维层的周期性叠加，它为具有定制性能的工程材料提供了一种通用方案。

在此，来自北京理工大学的周家东(一作兼通讯)和姚裕贵&北京大学和南方科技大学的吴孝松&新加坡南洋理工大学的Kazu Suenaga & 刘政等研究者，直接通过化学气相沉积沉积，报告了一种由二维二硫化钒(VS₂)和一维硫化钒(VS)链阵列交替层组成的本征异维超晶格。相关论文以题为“Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect”于2022年08月31日发表在Nature上。

超晶格，由于其独特的电子、光学和磁性而引起了人们的广泛关注。一般来说，传统的超晶格是在相同维度的材料之间形成的(如三维(3D) -三维、二维(2D)-二维和一维(1D)-1D超晶格)。

近年来，二维材料的突破丰富了超晶格家族，包括范德华异质结构、moiré周期模式和随机插层化合物。例如，各种典型的超晶格，如六方氮化硼/石墨烯和扭曲石墨烯的moiré超晶格，((GeTe)_x/(Sb₂Te₃)_y)_n与有机分子(十六烷基三甲基溴化铵)插层黑磷的混合，以及分子二硫化钼。

此外，还报道了嵌层化合物，包括铌基、钒基超晶格和本征二维超晶格MnBi₂Te₄。这些超晶格，具有应用于量子自旋电子器件所需的潜在超导性和铁磁性。然而，这些超晶格大多是通过外延生长或通过不同的方法堆叠二维材料而获得的。

此外，在结构和尺寸上，报道的超晶格为3D-3D、2D-2D和1D-1D超晶格。在本征二维(或三维)材料和一维材料之间形成的本征异维超晶格的实现，仍然是实验中的一大挑战。

在此，研究者报道了用一步化学气相沉积(CVD)方法直接生长的钒基二维超晶格中的异维本征超晶格结构。该超晶格是二维二硫化钒(VS₂)层和一维硫化钒(VS)链阵列的周期结构，属于单斜对称的C2/m空间群。这样的结构在冶金学中是没有预料到的。由于二维VS₂和一维VS阵列的存在，超晶格(VS₂-VS)表现出一种有趣的室温面内反常霍尔效应。这种效应的磁场角依赖性表明，只有沿特定晶体方向的磁化作用起作用。强各向异性源于超晶格中独特的VS链的一维性质。该工作为探索具有优良物理性质的异次元超晶格开辟了一条道路。

在此，这种独特的超晶格具有非常规的1T叠加，研究者通过扫描透射电子显微镜识别出VS₂/VS层的单斜单胞。当磁场在平面上时，可以观察到一个意想不到的霍尔效应，其持续时间可达380 K，在这种情况下，霍尔效应通常会消失。这一效应的观测得到了理论计算的支持，可以归因于与一维VS链有关的、由面内磁场诱导的面外贝里曲率引起的非常规反常霍尔效应。与此同时，该工作扩展了对超晶格的传统理解，并将刺激合成更多非凡的上层建筑。

图1. VS₂-VS超晶格的生长过程和光学图像

图2. VS₂-VS超晶格的原子结构

图3. VS₂-VS超晶格的详细分析

图4. VS₂-VS超晶格输运的测量

综上所述，研究者利用CVD方法合成了垂直叠加的VS₂-VS超晶格。STEM和截面TEM结果清楚地揭示了VS₂-VS超晶格的原子结构，这在V-基材料中是没有得到的。在超晶格中首次观测到了室温下的面内AHE。磁场角依赖性揭示了意想不到的平面内各向异性，这是由一维VS链造成的。该结果为合成超晶格和发现新的物理性质开辟了一条道路。

作者简介

周家东，北京理工大学教授。主要从事低维材料（2D）包括半导体材料与量子材料制备，性质与应用研究，使用化学、物理等手段解决半导体与量子材料的制备难题，并研究其半导体特性与铁磁、铁电、超导等新奇物理性质，探索其在高性能电子器件和量子领域的应用。具体研究内容包含以下几个方面：1. 新型低维材料及其异质结构的制备与性质研究；2. 高性能电子器件；3. 新型低维材料的新奇物理性质研究。

近年来以第一（包括共同第一作者）与通讯作者发表SCI 论文50 余篇，包括Nature系列论文9篇（Nature 一篇），Science Advances, Advanced Materials, Nano Letters, JACS, ACS Nano 等。并多次在国内外重要学术会议上做邀请报告。受邀担任多种国际学术期刊的审稿人。同时担任《Materials Horizons》 Community Board 与《Chinese Chemical Letters》青年编委。

姚裕贵，北京理工大学教授，长江特聘教授、杰青、北京大学量子材料中心客座教授。2011年获得中国科学院杰出科技成就奖；2012年获得国家杰出青年基金资助、入选长江学者特聘教授计划；2014年入选科技部中青年科技创新领军人才计划；2016年入选国家万人计划中的科技创新领军人才计划；2017年获北京市高等教育教学成果二等奖；2018年入选科睿唯安物理领域高被引科学家名单，同年获得国家科学技术奖自然科学奖二等奖（第一完成人）。

研究方向为凝聚态物理、计算物理和材料物理，具体有：（1）发展基于量子力学的计算方法，研究材料中反常霍尔效应、自旋霍尔效应、轨道霍尔效应、平面霍尔效应、热电效应、磁光效应、磁阻、磁矩以及拓扑等量子物性，特别关注自旋轨道耦合体系的电子结构、贝里相位与量子物性之间的关系；在此基础上将开发和设计相应的高性能并行计算软件包。（2）结合理论设计、计算模拟和实验探索，研究各种新型量子功能材料（如拓扑绝缘体、拓扑半金属、拓扑超导体、二维层状量子材料等）及相关物性；通过研究光与物质的相互作用机理，设计出高效光能源量子转换材料，并制备高效的光电池和光催化器件。

迄今共发表SCI论文160余篇【包括 Phy. Rev. Lett.（23篇），Phy. Rev. B/A/E/M(70余篇)，Nature子刊（5篇），影响因子>10的顶级期刊论文（10余篇）等】，在反常输运、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等领域的研究成果具有重要国际影响并被同行包括多位诺贝尔奖获得者广泛引用，共被SCI引用23452余次，目前每年引用2000余次，单篇最高引用2194余次，多篇论文引用超过500次，H指数66，并入选科睿唯安物理领域“高被引科学家”名单【物理学科 2018 年全球共 211 人】。曾在美国 APS、MRS年会等国际重要会议多次作邀请报告。承担过多项国家基金面上项目、基金委重点项目、创新研究群体项目、国家重点研发计划、973计划和量子调控等项目。

针对材料中贝里相位效应相关的关键科学问题，率先发展了反常输运物理量与拓扑不变量的第一性原理计算方法，并系统地应用于反常输运和拓扑物性的研究。是第一性原理研究反常输运现象的开拓者之一，关于反常输运的部分成果被写进了教科书；同时引领了硅烯等二维拓扑材料的研究，所提出的理论模型被冠名，等等。这些原创成果加深了人们对真实复杂材料中新奇量子现象的理解，加速了新量子态材料的发现，推动了凝聚态和计算物理相关领域的发展。

吴孝松，优青，博士生导师，研究低维电子体系在低温强磁场下的量子输运行为，以及对这些行为的量子调控。目前主要关注二维磁性材料、二维超导材料，以及拓扑材料。在Science、 Nature Nanotech.、PRL、Nature Commun.、PNAS等杂志发表论文70余篇。

刘政，南洋理工大学教授，他是二维材料的合成与应用领域的领军人物。他的主要研究方向为新型二维材料高质量晶体的气相合成、表征及应用，包括六方氮化硼（h-BN），氧化物，过渡金属硫化物（TMD，MoS₂，WS₂，MoSe₂）等材料。他也对三元二维材料进行了研究。刘政教授团队在二维材料的纳米电子器件及储能器件的制造领域做出了突出贡献。作为二维材料研究的先驱者之一，他发表了超过数百篇学术研究论文。截止目前，总被引用文总数超过45406余次，h指数99。2012年获得世界科技奖能源类提名。2018年入选高引科学家名单。相关工作被Science daily，Phy.org，EEE spectrum等多个知名学术网站报道，并被Nature Physics，Nature Nanotechnology，Chem Int Ed等期刊列为亮点。

文献信息

Zhou, J., Zhang, W., Lin, YC. et al. Heterodimensional superlattice with in-plane anomalous Hall effect. Nature 609, 46–51 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05031-2

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05031-2

https://physics.bit.edu.cn/szdw/zzjzg/zg/gw_60fe0317be434390a6b2bdcd5ca90845/index.htm

http://physics.bit.edu.cn/szdw/gccrc/zjxzjq/yyg13/index.htm

https://physics.bit.edu.cn/szdw/zzjzg/zg/yyg/index.htm

https://faculty.pku.edu.cn/xswu/zh_CN/index.htm

https://www.sohu.com/a/280389731_644220

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