该文章介绍了通过化学气相沉积法合成二维CrOCl纳米片的研究，探索了其在二维异质结构中的界面对称性破缺现象。通过精确控制生长条件，实现了对CrOCl纳米片厚度和尺寸的调控，并构建了具有各向异性的MoS2/CrOCl异质结构，展现出偏振敏感光检测和体光伏效应。该研究发现为CrOCl在二维物理和器件应用中的新可能性铺平了道路。
在凝聚态物理学中，对称性破缺是关纠错键概念，特别是在二维异质结构中，对称性的降低可以导致新的物理现象和功能的出现。CrOCl作为一种具有低对称性的二维范德瓦尔斯绝缘体，在半导体/绝缘体界面可以打破目标半导体的对称性，对于控制电子态和实现奇异量子现象具有显著的能力。
研究中采用了化学气相沉积法来合成二维CrOCl纳米片，并通过精确控制生长条件实现了对其厚度和尺寸的调控。构建了MoS2/CrOCl异质结构，通过干转移方法和退火处理实现了强界面耦合。对合成的样品进行了组成和结构表征，并探索了其在光电器件中的应用。
成功合成了规则形态和均匀厚度的高晶格质量CrOCl纳米片，构建了MoS2/CrOCl异质结构并实现了界面对称性破缺。揭示了CrOCl纳米片的大结构/光学各向异性、超高绝缘性和优越的空气稳定性等关键属性。在MoS2/CrOCl异质结构器件中观察到偏振敏感光检测和体光伏效应。
论文已发表在《Advanced Materials》上，Yue Tang, Yue Ping, Xiaoxin Yang等为本文的共同第一作者。此外，上海昂维科技有限公司提供二维材料单晶、薄膜等耗材、器件和光刻掩膜版定制等微纳加工服务，以及各种测试分析。
为了方便各位同学交流学习，解决讨论问题，我们建立了一些微信群，作为互助交流的平台。
2.告知:姓名-课题组-研究方向，由编辑审核后邀请至对应交流群(生长，物性，器件)；
欢迎投稿欢迎课题组投递中文宣传稿，免费宣传成果，发布招聘广告，具体联系人：13162018291（微信同号）
【研究背景】
在凝聚态物理学中，对称性破缺是一个关键概念，它与物质的许多基本性质和相变过程密切相关。特别是在二维异质结构中，对称性的降低可以导致新的物理现象和功能的出现，这对于开发新型电子和光电子器件具有重要意义。低对称性的范德瓦尔斯绝缘体在半导体/绝缘体界面可以打破目标半导体的对称性，这对于控制电子态和实现奇异量子现象具有显著的能力。这种对称性的破坏可以导致电子性质的显著变化，例如在二维材料中诱导出非线性霍尔效应和非互易的光学性质。
CrOCl作为一种具有低对称性的二维范德瓦尔斯绝缘体，因其独特的结构和显著的性质而受到关注。它不仅表现出反铁磁性，还展现出各向异性的振动、反射和吸收性质，显示出在自旋电子学和光电子学器件中的潜在应用。然而，CrOCl的自下而上合成（bottom-up synthesis）尚未实现，这限制了其在器件应用中的性能探索和开发。这种挑战主要来自于CrOCl合成过程中的反应控制和结构调控，这对于实现其在2D半导体中的界面对称性破缺和器件应用至关重要。
近日，
陕西师范大学徐华，中国科学院深圳先进技术研究院王晓
在国际顶级期刊
《Advanced Materials》
上发表论文报导了一种可控的化学气相沉积（CVD）方法来合成2D CrOCl晶体。这种方法能够稳定且计量地生长出具有规则菱形形态和均匀厚度的高晶格质量CrOCl纳米片。通过调节生长温度，可以连续调节CrOCl纳米片的厚度和尺寸，这对于探索其在2D半导体中的界面对称性破缺具有重要意义。并且，构建了具有单镜对称叠加和超强界面耦合的MoS
2
/CrOCl异质结构，实现了界面对称性破缺，这是一种将MoS
2
从各向同性转变为各向异性的新型界面现象，致使MoS
2
/CrOCl异质结构器件实现了在高对称二维材料中不存在的偏振敏感光探测和体光伏效应。
【
实验流程
】
1.CrOCl纳米片的CVD合成：采用了一种空间限制的化学气相沉积（CVD）方法来生长CrOCl纳米片。这种方法通过在炉中创建一个微型反应室，确保了前驱体的均匀和稳定供给，从而促进了高质量CrOCl晶体的生长。使用新剥离的云母作为生长基底，因其原子级平坦的表面和低迁移障碍，有利于实现CrOCl晶体的外延生长。
2.纳米片的转移：生长在云母基底上的CrOCl纳米片需要转移到其他基底上以便于进一步的表征和器件制造。文章中使用了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）辅助的转移技术，这是一种常用的方法，可以保护纳米片在转移过程中不受损害。
3.异质结构的制备：将通过CVD生长的单层MoS2纳米片转移到预沉积的CrOCl纳米片上，形成MoS2/CrOCl异质结构。这一步骤是通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）和PMMA辅助的干法转移方法实现的，以确保异质结构的精确对齐和层间强耦合。为了增强MoS2和CrOCl之间的界面耦合，异质结构在120 °C下进行了2小时的退火处理，以优化其电子和光电性能。
4.器件制备：使用电子束光刻技术图案化源和漏电极，这是一种高分辨率的技术，可以精确定义电极的位置和形状。通过热蒸发沉积技术制造Cr/Au（10/50nm）接触电极。这种金属组合因其良好的导电性和与二维材料的良好接触而经常被使用。
5.性能测试：使用探针站配备源表单元测量MoS2/CrOCl异质结构器件的电学和光电性能。这种设置允许对器件的电流-电压特性进行精确测量，以及在不同偏置条件下的光电响应。通过改变入射光的
6.偏振角度，测量了MoS2/CrOCl异质结构器件的偏振依赖性光电流，以评估其在光电器件中的潜在应用。
【高亮成果】
1.化学气相沉积法（CVD）合成2D CrOCl纳米片
研究中采用了化学气相沉积法来合成二维CrOCl纳米片。这种方法涉及将前驱体Cr
2
O
3
和CrCl
3
放置在炉中心，并将新鲜剥离的云母片作为生长基底叠加放置在前驱体上方。通过精确控制生长温度（675 °C至800 °C），可以连续调节CrOCl纳米片的厚度，从10.2纳米调节至30.8纳米，同时尺寸也从16.9微米增加至25.5微米。通过空间限制生长策略，确保了前驱体的均匀和稳定供给，这对于合成具有规则形态和均匀厚度的高晶格质量CrOCl纳米片至关重要。
2. 构建MoS
2
/CrOCl异质结构
利用CVD生长的CrOCl纳米片和单层MoS
2
纳米片，通过精确控制堆叠角度构建了MoS
2
/CrOCl异质结构。这种结构的构建是通过干转移方法实现的，以确保异质结构中的强界面耦合。异质结构的构建过程中还包括了对异质结构进行退火处理，以增强层间的相互作用和界面耦合，这对于实现界面对称性破缺和诱导二维材料的各向异性至关重要。
3. 界面对称性破缺现象与应用的探索
通过构建MoS
2
/CrOCl异质结构，研究者探索了界面对称性破缺现象。这种对称性破缺通过改变MoS
2
的电子结构和光学性质实现，从而将MoS
2
从各向同性转变为各向异性。利用密度泛函理论（DFT）计算和实验测量，研究者揭示了CrOCl纳米片的大结构/光学各向异性、超高绝缘性和优越的空气稳定性，这些都是实现界面对称性破缺的关键属性。进一步探索了MoS
2
/CrOCl异质结构在光电器件中的应用，包括偏振敏感光检测和体光伏效应。这些应用展示了通过界面对称性破缺实现的二维材料各向异性的潜在功能。
【结论与展望】
本文成功通过化学气相沉积法合成了二维CrOCl纳米片，并探索了其在二维异质结构中的界面对称性破缺现象。通过精确控制生长条件，实现了对CrOCl纳米片厚度和尺寸的调控，并构建了具有各向异性的MoS
2
/CrOCl异质结构，展现出偏振敏感光检测和体光伏效应。这些发现不仅为CrOCl在2D物理和器件应用中提供了新的可能性，也为通过对称性工程探索新型2D材料和器件铺平了道路。未来，进一步优化合成方法、探索新的异质结构组合、深入研究界面对称性破缺机制，以及提升光电器件性能，将是推动二维材料科学向前发展的关键方向。
【论文插图】
图1. CrOCl的晶体结构和合成。
a) CrOCl晶体的原子结构图，展示了不同的晶格面。蓝色、红色和绿色球体分别代表Cr、O和Cl原子。 b) 在云母基底上空间限制的CVD生长CrOCl纳米片的示意图。 c) 在云母基底上CVD生长的菱形层状CrOCl纳米片的典型光学显微镜（OM）图像。 d) 在675至800 °C的温度范围内合成的CrOCl纳米片的厚度和尺寸的统计数据。对于每个样本，在约500微米×500微米的范围内统计了约80个CrOCl纳米片。插图为相应的AFM图像。 e-g) CrOCl纳米片的Cr 2p、O 1s和Cl 2p的高分辨率XPS谱图。 h) 转移到玻璃基底上的CrOCl纳米片的XRD谱图。
图2. CVD生长的CrOCl纳米片的组成和结构表征。
a) 菱形CrOCl纳米片的低放大倍数ADF-TEM图像及对应的EDS元素分布图。 b) CrOCl纳米片的高分辨率HAADF-STEM图像。插图为模拟的高分辨率HAADF-STEM图像。 c) CrOCl晶体的实验测量和d) 模拟的选区电子衍射（SAED）图案。 e) CrOCl纳米片的彩色高分辨率HAADF-STEM图像及f) 对应的晶体结构模型，其中蓝色、红色和绿色球体分别代表Cr、O和Cl原子。 g) CrOCl纳米片的低放大倍数和h) 高分辨率HAADF-STEM图像，以及i) 沿[100]晶带轴取向的CrOCl纳米片截面的模拟高分辨率HAADF-STEM图像。 j) CrOCl纳米片截面的SAED图案。
图3. CVD生长的CrOCl纳米片的拉曼光谱。
a) 从单层到块体不同厚度的CVD生长CrOCl纳米片的拉曼光谱。插图为Ag
1
峰的拉曼强度映射图像。 b) 在300至600 K不同温度下测量的CVD生长CrOCl纳米片的拉曼光谱。 c-e) 不同温度下Ag
1
、Ag
2
和Ag
3
峰的偏移放大视图。 f) Ag
1
、Ag
2
和Ag
3
峰的位置作为温度的函数。
图4. 二维CrOCl纳米片的电子带结构和光学各向异性。
a) DFT计算的CrOCl的自旋极化能带结构，其中自旋向上和自旋向下分别以蓝色和紫色绘制。 b) 几层CrOCl纳米片的紫外-可见-红外吸收光谱。插图为相应的Tauc曲线。 c,d) CrOCl纳米片的c) 价带顶（VBM）和d) 导带底（CBM）的部分电荷密度。 e,f) CrOCl纳米片在e) 平行和f) 垂直偏振配置下的角度依赖拉曼强度的等高线图。右侧显示了Ag
1
模式的拉曼强度作为样品旋转角度的函数的极坐标图，其中点和曲线分别代表实验数据和拟合数据。
图5. 二维CrOCl基异质结构中的界面对称性破缺。
a) 在532纳米光照射下，基于MoS
2
/CrOCl异质结构的偏振敏感光电探测器的示意图。 b) 单层MoS
2
的晶体格点结构图，具有C
3
旋转对称性，单层CrOCl具有C
2
旋转对称性，以及MoS
2
/CrOCl异质界面具有C
1
旋转对称性。蓝色、红色和绿色线代表垂直镜像平面。圆点代表旋转轴。 c) 绘制在0.0005 e Å
−
3
等值处的差分电荷密度（CDD）图，其中黄色和青色等值面分别代表电子密度增加和减少的空间区域。 d) 沿c方向的一维平面平均CDD。 e) MoS
2
/CrOCl异质结构的角度分辨微光学偏振吸收光谱。 f) 在不同偏振角度下，MoS
2
/CrOCl异质结构在黑暗和光照明（520纳米，40 mW cm
−
2
）下的I
ds
-V
ds
曲线。 g) 本征MoS
2
和MoS
2
/CrOCl异质结构的SHG强度作为偏振角度函数的极坐标图，激发波长为1550纳米。 h) 本征MoS
2
器件和MoS
2
/CrOCl异质结构器件的光电流作为偏振角度函数的极坐标图。 i) MoS
2
/CrOCl异质结构器件在黑暗和光照明下的I
