近日，新一代半导体材料集成攻关大平台碳化硅团队任华英教授与南开大学、加州大学洛杉矶分校合作以“Modular synthesis of chemically programmable superlattices”为题在《Nature Materials》（DOI: 10.1038/s41563-026-02663-x）上发表综述文章，系统梳理了化学可编程插层超晶格的模块化设计与合成原理。文章的第一作者为南开大学周劲媛特聘研究员，共同第一作者为探花av-探花视频-国产探花
任华英教授，通讯作者为加州大学洛杉矶分校（UCLA）的段镶锋教授。
研究背景
在原子尺度上精确调控化学组成与电子性质的固态异质结构和超晶格，是凝聚态物理以及下一代电子与光电子技术发展的基础。传统上，高质量固态异质结构的制备依赖组分材料之间强的方向性共价键，通常需要在高温下逐层外延生长以克服较大的成键与原子重排能垒，从而实现长程晶体有序。这一方法往往局限于化学组成相近、晶格匹配良好的材料；当把晶格对称性或化学性质差异较大的材料结合时，界面缺陷与结构无序难以避免，会破坏电子相干性并劣化器件性能。因此，如何在原子尺度实现化学与结构差异显著组分的无缝、无缺陷集成，一直是长期存在的挑战。
以石墨和层状过渡金属硫属化物（TMD）为代表的二维原子晶体（2DAC）的迅速发展为此提供了新思路。2DAC原子层之间存在非成键的范德华间隙，可为多种原子或分子插层剂提供插入位点，同时保持主体晶格的结构完整性；晶体二维原子层还可作为高度有序的模板，引导插层剂自组装成周期性插层，形成由交替的晶体原子层与自组装原子/分子插层构成的插层超晶格。通过在各自独立优化的条件下制备2DAC与插层剂、再在中等温度下将二者结合，这一策略为整合几乎不受限的原子、分子、离子及纳米团簇物种提供了模块化途径。由于插层与自组装主要由范德华或静电等弱的非成键作用主导，无需高温处理，也放宽了对晶格匹配与工艺兼容性的严格要求，从而支持更广的组成多样性。
这类超晶格将2DAC的本征性质与自组装插层的化学可编程电子、光学、磁学功能相结合，能够整合原本互不相容的量子与集体现象，实现超越传统异质结构的器件功能。然而，构筑具有特定功能的插层超晶格远比简单地将2DAC与功能插层剂随意组合复杂：电子、光学或磁学活性插层本身反应性更强，往往与常规化学或电化学插层策略不兼容。因此，尽管插层超晶格备受关注，迄今大多数研究仍局限于功能有限的惰性插层剂。本综述聚焦于实现电子、光学或磁学活性插层这一类功能插层超晶格的合成挑战与策略。
成果简介
文章系统梳理了化学可编程插层超晶格的模块化设计与合成原理，从功能构筑单元、合成策略、结构有序性到设计框架进行了全面总结，旨在为面向电子、光学、磁学与量子功能的插层超晶格建立模块化的设计与合成指导原则。
在功能构筑单元方面，作者将2DAC按其本征物理性质分类，涵盖半导体、金属/半金属、超导体、外尔半金属、拓扑绝缘体、铁磁体与铁电体等，并指出同一材料在2H、1T、Td等不同结构相下呈现迥异的电子行为。插层剂（原子、离子、分子与纳米团簇）则按HOMO/LUMO能级、功能基团与对称性分类，可分为大带隙绝缘物种、中等带隙半导体物种，以及荧光、手性与自旋活性分子等。2DAC的价带/导带与插层剂HOMO/LUMO之间的相对排列决定电荷转移与杂化路径，可分为跨骑型（I型）、交错型（II型）与断隙型（III型）三类能带排列。
惰性插层剂（如CTAB、PVP）主要充当间隔层以调制层间耦合与介电屏蔽：例如MoS2/CTAB超晶格的激子发射强度可达剥离单层的20倍，而引入固态离聚物插层后，激子发射与二次谐波产生分别较本征单层MoS2提升100倍与1000倍。手性分子插层可引入手性诱导自旋选择性等效应，α-甲基苄胺插层的2H-TaS2隧穿磁阻比超过300%、自旋极化率超过60%，并呈现与手性超导态一致的多种特征。自旋活性插层（过渡金属/稀土离子及其配合物）则可诱导长程磁有序，如SnS2/Co(Cp)2超晶格中二茂钴自组装成蜂窝状单层，促成室温铁磁性。
在合成策略方面，作者系统比较了六类方法：化学插层依赖插层剂与2DAC间的自发电荷转移，主要适用于易接受电子的金属/半金属TMD；电化学插层借助外加电位驱动离子插入，拓展了半导体2DAC的适用范围，但要求插层剂带电且在电化学窗口内稳定；阳离子交换采用先插入高活性Li、再置换为目标过渡金属/稀土阳离子的两步策略，克服了化学与电化学反应性限制；共插层通过先插入一种物种扩大层间距、降低第二种物种的插层势垒；剥离-共组装不受化学反应性与电化学稳定性约束，适用性最广；插层后转化则通过空间受限的固态转化或硫属化制备高阶2D-2D超晶格。作者进一步以流程图形式给出合理选择合成路线的设计框架：从目标性质出发，依次评估自发电荷转移、电化学稳定性与可剥离性等因素，匹配相应的合成方法。
在结构有序性方面，插层剂的有序排列对结构稳定性、电子性质与新奇功能至关重要。借助差分相位衬度与环形暗场STEM、电子衍射等技术，已直接观察到Fe1/3TaS2中Fe呈√3a×√3a、Fe1/4TaS2中呈2a×2a的面内超晶格有序；而由轻元素构成的有机分子插层因电子散射弱、易受电子束损伤，成像仍具挑战，需借助冷冻电镜、四维STEM与多层叠层成像等手段。扫描探针显微镜可直接可视化SnSe2/Co(Cp)2超晶格中Co(Cp)2分子的长程有序排列及插层诱导的电荷密度波态。
图注说明
图1：代表性二维原子晶体（2DAC）的结构与性质。(a)按金属元素排布的代表性2DAC周期表，总结已有的2H、1T与Td相及其特征性质（金属/半金属、绝缘、半导体、铁磁、超导、电荷密度波、拓扑绝缘、铁电、热电）；填色框表示已知2DAC中存在的元素，灰色为金属、黄色为硫属元素。(b)若干代表性2DAC单层的原子结构示意。
图2：用于可设计地构筑插层超晶格的功能构筑单元。(a)具有不同功能的代表性分子插层，包括绝缘层、半导体层、荧光分子、手性分子与自旋活性配合物。(b) 2DAC层与分子插层之间三类能带排列示意：跨骑型（I型）、交错型（II型）与断隙型（III型）。(c–e)若干典型2DAC层与分子插层的功函数（c）、导带-价带（d）及HOMO-LUMO（e）能级位置，相对能级可指示静态或激发态电荷转移的可行性与方向。
图3：制备插层超晶格的合成策略。(a–f)不同合成方法：化学插层（a）、电化学插层（b）、阳离子交换插层（c）、共插层（d）、剥离-共组装（e）与插层后转化（f）。插图为不同族（IV、V、VI）TMD的态密度，展示成键（σ）与反键（σ*）态在带隙内的d轨道填充，用以解释金属/半金属与半导体TMD反应性的差异。
图4：插层超晶格合成的设计框架概念图。以目标性质为起点，依次判断2DAC与功能插层间是否存在自发电荷转移、插层是否电化学稳定、2DAC能否剥离成单层等关键因素，据此选择化学插层、电化学插层、阳离子交换、共插层、剥离-共组装或插层后转化等互补方法，实现具有设计化学调制与物理性质的插层超晶格。
图5：插层超晶格中的结构有序性。(a) Fe1/3TaS2的晶体结构及沿[10-10]带轴的差分相位衬度STEM图（蓝：Ta；黄：S；橙：Fe）。(b) VS2-VS超晶格侧视原子模型与放大的环形暗场STEM图。(c) FeCl3插层石墨烯示意及对应环形暗场STEM图（灰：C；棕：Fe；蓝：Cl）。(d–f)插层分子层内不同取向（d）、周期性（e）与手性排列（f）的示意。(g–k) SnSe2/Co(Cp)2超晶格的侧视示意（g）、解理暴露Co(Cp)2层的示意（h）、所暴露Co(Cp)2层的STM图（i、j）及俯视示意（k）。(l)超晶格中SnSe2层的STM图，显示插层诱导的电荷密度波态。(m)同一区域SnSe2的等高AFM图。
总结展望
作者将插层剂在2DAC范德华间隙内自组装形成有序插层的过程概括为区别于共价外延的“层间取向生长（intertaxy）”：其结构有序源于弱的非成键相互作用，能量势垒较低，因而可在较低温度下完成结构组织，对晶格失配与组成多样性更为宽容，为固态化学开辟了利用分子与超分子构筑单元实现组成与结构拓扑化学可编程调控的新途径。
要实现可预测、可重复的插层合成，必须在保持2DAC与插层剂结构和性质的前提下，精确调控插层过程与层间有序的热力学与动力学因素。由于插层本质上涉及电荷转移，主体与插层剂均可能具有化学活性，微量水或氧等杂质引发的副反应会严重损害可重复性与材料功能，因而严格的无水无氧环境与外场调控十分关键。原位与工况（operando）表征（如液体池透射电镜、原位X射线衍射与光谱）对揭示插层机制、监测副反应至关重要；同时，X射线衍射、STM、冷冻电镜、四维STEM与AFM等多模态表征，是解析分子取向、周期性与手性排列并建立可靠构效关系的必要手段。
作者还展望了人工智能驱动的研究范式：插层超晶格的模块化特性特别适合结合机器学习与自动化高通量合成表征，构建闭环平台以加速海量超晶格的设计、组装与评估。这一整合方法有望变革材料设计，为下一代节能电子器件、自旋电子器件与量子技术开辟超越传统材料体系的新路径。
文献链接
Modular synthesis of chemically programmable superlattices. Nature Materials, 2026.
//doi.org/10.1038/s41563-026-02663-x
