专栏名称: 研之成理

夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！

香港理工大学/香港城市大学合作，Science！

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-10-11 10:17

正文

第一作者：Chi Shing Tsang，Xiaodong Zheng，Tong Yang

通讯作者：Ming Yang，Jiong Zhao，Thuc Hue Ly

通讯单位：香港理工大学，香港城市大学

DOI：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp7099

Science编辑评语

在扭曲的二硫化钼双层中观察到的电场揭示了依赖于扭曲角度的平面内手性涡旋域。Tsang等人使用四维扫描透射电子显微镜（TEM）和第一性原理计算来确定局部极性域结构，这些结构可能源自于扭曲堆叠引起的电荷重新分布和微小的面内离子位移。在大扭曲角度下看到了马赛克手性涡旋图案。一个12重对称的准晶双层显示出复杂的涡旋图案，这些图案可以通过在显微镜内移动层来调节。

背景介绍

双层二维材料如MoS₂主要受少数能量有利的状态支配。这些2D材料自然地采用不同的堆叠顺序：反平行的2H（P63/mmc）状态或平行的3R（R3m）状态，它们之间相差60°的相对层间旋转。最近，通过扭转范德华（vdW）双层及相关多层同质或异质结构的方法，作为一种变革性手段出现，可以通过长波长莫尔图案诱导的增强量子耦合效应来访问和定制电子性质。例如，莫尔超晶格可以承载电荷密度波，展示非常规超导性，并在魔角扭转双层和三层石墨烯中产生莫特绝缘体状态。此外，在扭转双层过渡金属二硫化物（TMDCs）中还观察到了意外的原子重构和莫尔激子。

本文亮点

本文报告了在扭曲双层二硫化钼（MoS₂）中观察到的电场，并利用四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）和第一性原理计算阐明了其与局部极性域的相关性。本文揭示了在周期性摩尔纹图案内出现的面内拓扑涡旋，包括小角度下的共度结构以及30°扭曲下出现的非共度准晶结构。大角度扭曲导致具有可调特性的马赛克手性涡旋图案。扭曲的准晶双层以12倍旋转对称性为特征，包含复杂的涡旋图案，并且可以通过皮米级层间位移进行操纵。本文的发现强调了扭转二维双层是一种多功能策略，用于定制局部电极涡旋。

图文解析

图1| 扭转双层MoS₂中极性场的4D-STEM结果

要点：

1.合成的双层MoS₂样本通过4D-STEM实验进行了研究，在该实验中，聚焦电子束在聚焦探针差分相位对比成像条件下系统地扫描样本。这些STEM和4D-STEM技术被用来绘制双层MoS₂中的平面原子极化场。双层MoS₂的原子结构模型如图1A所示，STEM–环形暗场（STEM-ADF）图像如图1B至D所示。观察到的拓扑极性结构（如图1, E和F所示的涡旋）对应于图1,G和H所示的4D-STEM结果。4D-STEM分析基于电子束质心位置的偏移，这与入射电子在与超薄样本中的静电场相互作用后的偏转轨迹相关。涡度的强度与极化场的旋度成正比，这表明了局部场的旋转特性。在这种情况下，图1,G和H中的蓝色和红色色调分别表示顺时针和逆时针旋转方向。

图2|极性场分布的扭转角度依赖性

要点：

1.为探索扭转角度对拓扑极化结构的影响，本文进行了全面的空间演化分析，使用4D-STEM测量和验证性图像模拟，仔细检查了在广泛扭转角度范围内MoS₂双层莫尔图案中的极域，如图2的A到P所示。观察到受到不同扭转角度影响的MoS₂样品，即8.3°、11.6°、-18.4°和30°，展示了不同的极场分布，从复杂的涡旋形成到类似钟表结构的12重准晶极域。

2.在较低的扭转角度（θ_t < 3°）下，层间扭转通过诱导的莫尔超晶格重构调节电子性质。在较高的扭转角度（θ_t > 8°）下，双层显示出复杂的原子配置（如图2C所示）。这些结构产生了多样的极性纹理（如图2G所示），这与较低扭转角度下观察到的不同（如图2E和F所示）。本文进一步发现了围绕AA位点（旋转中心）的逆时针（蓝色）和顺时针（红色）涡旋（如图2G中的黄色圆圈所示）。这些旋转涡旋的组合导致了同心逆时针旋转涡旋的模式（如图2G所示），这与多片图像模拟获得的结果一致（如图2O所示）。

图3| 30°扭转双层准晶MoS₂的基本瓦片和电荷密度分布

要点：

1.两层MoS₂之间30°的旋转导致了一种十二边形准晶莫尔超晶格的形成，这是一种具有12重旋转对称性但不具有平移对称性的不匹配结构。本文的观察揭示了一个具有12重对称性并带有两个侧瓣的独特信号，类似于在动量空间中观察到的光学相位奇点。使用通过4D-STEM构建的虚拟探测器获得的STEM-ADF图像，本文展示了原子结构的准周期排序。STEM-ADF图像与十二边形框架重叠（图3A和B），其中顶点由两孔对齐的列组成。这个STEM结果（图3B）与基于相衬的高分辨率透射电子显微镜图像的双层准晶石墨烯形成对比。这种准晶双层MoS₂中的十二边形阵列由Stampfli瓷砖组成，如正方形、菱形和三角形，它们填充空间而没有任何空隙（图3A和B）。此外，基于Mo和S2的各向异性原子配置，三角铺砌模式可以分为四个不同的子晶格。

2.本文进一步分析了4D-STEM在明场模式下的电场测量中的散度，这使本文能够绘制双层准晶MoS₂中的电荷密度分布。映射结果与DFT模拟非常吻合（图3C和D）。值得注意的是，电子耦合效应太弱，无法导致使用STEM技术可检测到的电子波函数的实质性振幅波动。然而，通过如角分辨光电子谱和扫描隧道谱等技术可以间接推断，这些技术分别可以捕捉光子-电子相互作用和微弱的隧穿电流，可能提供观察此效应所需的灵敏度。

图4| 30°扭转双层准晶MoS₂中Stampfli瓦片的原位TEM操作

要点：

1.本文进行了原位透射电子显微镜（TEM）实验，以进一步操纵双层准晶MoS₂的Stampfli瓦片图案。使用化学气相沉积（CVD）方法生长的原始30°扭转双层MoS₂是无应变的，本文最初在扭转样品中引入了一条裂纹。这条裂纹在电子束的作用下从暴露区域向外传播，导致双层MoS₂裂纹附近的大面积剪切和应变。在这些区域未观察到由电子束引起的缺陷。各层的晶体取向不同，导致裂纹沿不同方向传播，这导致了裂纹尖端的分叉。这种方法使我们能够在原子尺度下观察并记录双层准晶MoS₂中因层间剪切应变导致的微小层间位移。这种层间运动直接影响了准晶的局部镶嵌图案，如图4A所示，表明这些时钟极性图案与瓦片的顶点密切相关。

2.为了可视化和分析原子位移，本文使用原子跟踪方法（atom-tracking method）从连续的STEM-ADF图像中绘制了假彩色的Mo原子位移图。箭头用于表示位移的方向，追踪从主要（初始）到次要（后续）图像帧的转变。通过减去两个连续STEM-ADF图像帧之间的位移，特别是各层之间的位移，本文映射了双层准晶的局部层间位移（如图4B所示）。因此，这个特定的样本区域显示出最大横向层间位移为80皮米。

总结展望

本文成功展示了在扭曲双层二硫化钼（MoS₂）中出现的面内极性涡旋，突出了二维摩尔纹系统中拓扑手性极性结构的普遍性。通过结合实验性的4D-STEM测量和理论模拟，本文不仅澄清了扭曲双层MoS₂中复杂的依赖角度的极性结构，还揭示了通过层间位移操纵涡旋极性域的潜力。相关联的面内极性涡旋和局部原子堆叠顺序的存在，为通过外部电场或层间滑动和扭转来操纵这些手性极性涡旋提供了机会。这些发现为理解扭曲二维双层中极性结构的复杂行为提供了有用的洞见，为在原子尺度上调节新兴量子特性铺平了道路，从而为高密度信息存储和处理带来了充满希望的前景。

研理云服务器