莫尔超晶格扭角电子学及其光电器件

 莫尔超晶格是指由两种或两种以上的单晶材料构成的晶体结构。在二维材料中，莫尔超晶格可以通过堆叠不同的单层材料来实现。扭角电子学(Twistronics)是对二维材料层之间的晶格失配/角度扭曲达到改变其电子能带的研究。如双层石墨烯之类的材料具有很大的电子行为，从非导电性到超导电性，其敏感地取决于层之间的角度。

二维材料莫尔超晶格(Moiré Superlattices)是一种新型的强关联量子材料结构，它是在两个二维材料层之间形成的一种特殊的重叠模式(长周期莫尔超晶格)。这种模式是由两个二维材料层中原子的相对位置关系所决定的，并且可以通过调整这些原子的相对位置来控制Moiré Superlattices的形态。在莫尔超晶格中，电子的行为会受到这种高阶周期性结构的影响，出现能隙调制等现象。这些现象为实现量子调控提供了基础。二维材料莫尔超晶格量子器件可以通过调制器件中的莫尔超晶格结构来实现对电子行为的精确控制，例如调控能隙大小、引入拓扑保护等等。这种器件在量子计算、量子通信、量子传感等领域具有广泛的应用前景。例如，通过利用莫尔超晶格结构实现的拓扑保护，可以实现量子比特的长时间存储和传输。同时，莫尔超晶格结构的优异电子性质也可以用于制备高效的光电转换器件、传感器等。

二维材料莫尔超晶格的应用：

    1. 电子学：二维材料莫尔超晶格的电子结构与传统的三维材料有所不同，因此可以在电子学应用中发挥重要作用。例如，莫尔超晶格可以用于制造具有良好电荷传输性质的半导体器件。

    2. 光学：二维材料莫尔超晶格的结构可以调节光的波长和强度，因此可以用于制造各种光学器件。例如，莫尔超晶格可以用于制造纳米光子晶体和纳米激光器。

    3. 催化剂：二维材料莫尔超晶格的表面积比同等厚度的单层材料更大，因此可以提供更多的活性位点，从而提高催化剂的活性和选择性。例如，莫尔超晶格可以用于制造高效的催化剂，如氢气生成催化剂和CO2还原催化剂。

    4. 能源：二维材料莫尔超晶格的电子和光学性质可以使其在太阳能电池、锂离子电池和超级电容器等能源应用中发挥作用。例如，莫尔超晶格可以用于制造高效的太阳能电池和锂离子电池。

   5. 传感器：二维材料莫尔超晶格的表面性质和反应性可以用于制造高灵敏度的传感器。例如，莫尔超晶格可以用于制造气敏传感器和生物传感器。

    总之，二维材料莫尔超晶格具有广泛的应用前景，在电子学、光学、催化剂、能源和传感器等领域都有重要作用。

目前，研究Moiré Superlattices的热点包括研究电子-电子相互作用、电子-声子相互作用、电子-光子相互作用等在Moiré Superlattices中的表现，以及在电子器件、传感器和量子器件等领域中的应用研究。

范德华异质结扭角电子学

二维材料莫尔超晶格(Moiré Superlattices)

当两个周期性晶格以相对扭曲或晶格常数不匹配的方式相互叠置时，它们会发生干涉产生莫尔条纹。如上图所示，莫尔条纹的空间结构比任何一个格子都要大。(准)周期性图案形成更大的晶格，称为莫尔超晶格。实验上，莫尔超晶格可以通过将二维材料堆叠在一起来实现，包括石墨烯、六方氮化硼 (hBN)、TMDCs等。令人兴奋的新物理可以出现在莫尔超晶格上，包括莫特绝缘体、非常规超导体和可能的新拓扑相。

光电探测器是当代信息技术的基础，它作为光信号转化为电信号的媒介，在传感器领域中具有重要地位，并且在国民经济和军事的各个领域发挥了不可替代的作用。从现在的发展趋势看，光电探测器的研究热点主要是二维材料光电探测器。纳米材料的主要特点是尺寸小、表面能高、表面原子所占比例很大以及比表面积很大，因此具有和宏观材料迥然不同的物理性质，包括表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应。与基于体材料和薄膜材料的光电探测器相比，二维材料光电探测器的优势表现在:

(1)纳米材料尺寸很小，符合器件小型化、集成化的发展趋势；

(2)二维材料大的比表面积能够吸收更多的光能，这是提高光电转化的基础；

(3)由于尺寸小，二维材料具有较高的载流子迁移率，这将大幅度提高光电探测器的响应速度。

 自从2009年第一个石墨烯光电探测器制备以来，基于二维材料的光电探测器的发展十分迅速。不同的二维材料，几何结构和光电探测机制，器件的性能变化很大。响应度(R)，时间响应(τ)和探测率(D*)是三个常用的参数。它们常用于光电二极管，光电晶体管，光热仪和辐射热测量计等光电探测器的性能评估。然而，在实践中无法同时获得超高响应度和超短时间响应。这也就意味着高性能的光电探测器难以在实际中取得很好的应用。本课题要解决的问题是如何实现较快的响应速度和较高的响应度以及探测率。

 研究目标旨在探索新型二维材料扭角范德华异质结光电特性及其潜能的应用，探索电子-光子-声子之间的相互作用机制，推动纳米光电器件商业化进程。本项目的研究，有助于深刻理解新型材料光电转化机制，电子-光子-声子微观机理和弛豫机制，得到第一手实验数据，为纳米光电量子器件的应用奠定基础，推动纳米光电子学的发展和创新。

二维材料扭角范德华异质结光电探测器的研究关键在于寻求各种手段和方法突破现有实验条件和材料对光电流的调控，拓展实现新型光电器件输运和调控的参数范围，以期发现更多的新奇量子输运现象和实现光电器件的军事和国防应用。本方向的主要内容包括：

(1)高质量的二维材料样品制备(主要采用机械剥离法和CVD法);

(2)二维材料范德华异质结制备及二维材料扭角异质结制备;

(3)范德华异质结光电器件性能研究及其调控；

(4)范德华异质结光电器件光电流输运理论研究。