吉林大学科研团队提出合成制备二维摩尔超晶格的新方法

吉林大学材料科学与工程学院崔小强教授、张立军教授、郑伟涛教授领导的科研团队在二维材料的摩尔超晶格生长与物理化学性质研究中取得重要进展，于10月2日在《自然-通讯》上发表了题为《Bottom-up growth of homogeneous Moiré superlattices in bismuth oxychloride spiral nanosheets》的研究成果Nature Communications 10, 4472 (2019)，引发国内外同行的关注，并应Nature Research Chemistry Community邀请撰写专题博客报道。该论文第一作者为材料科学与工程学院博士研究生刘璐璐(实验合成)和孙远慧(理论模拟)，崔小强教授(低维纳米材料表界面调控与性能研究团队)、张立军教授(半导体光电材料模拟与设计团队)、郑伟涛教授(低维材料研究团队)为共同通讯作者。

图片摘自Nature Communications 10, 4472 (2019)

摩尔超晶格(Moiré superlattice，MSL)是范德华堆叠的二维(2D)层状材料中的特例，由两层2D材料在一定晶格失配度或扭转角的情况下堆叠产生。这种MSL结构具有新出现的全局对称性和周期性，由于周期性势调制、层间耦合及存在的应变作用，能够导致与构成的2D材料不同的新颖物性(例如转角石墨烯的超导电性)。目前报道的单一相MSL只有堆叠的石墨烯，而异质相MSL只集中在石墨烯/氮化硼堆叠，或少许报道的2D过渡金属硫族化合物堆叠。这些报道的MSL，其制备方法主要是直接堆叠机械剥离的两层2D材料和外延生长方法，直接堆叠机械剥离的2D材料存在界面污染，样品不均匀以及尺寸不可控等问题，外延生长方法本质上能够克服这些问题，但报道并不多。因此，需要探索新方法合成制备MSL，更大范围地研究MSL的新颖物理和化学性质，并探索其可能应用。

该研究工作提出了一种合成制备二维摩尔超晶格的新方法：通过一步溶剂热法制备螺位错驱动的螺旋型BiOCl纳米片，由于层间存在扭转角而形成摩尔条纹。该合成方法自下而上，重现性高且可大量合成。与块体BiOCl材料相比，BiOCl摩尔超晶格的带隙呈现出了～0.60 eV的大幅降低，致使BiOCl可以吸收可见光，同时载流子寿命增加了两倍以上。以上光电性质的调控使BiOCl摩尔超晶格具有高效光催化降解污染物的性能。系统大规模的第一性原理电子结构计算重现了摩尔超晶格的高带隙降低值，并揭示了带隙降低及载流子寿命增加的物理机制，可归因于伴随摩尔超晶格出现的周期性势调制和局域增强的层间耦合效应。

研究工作实现了对宽带隙层状半导体材料大幅度能带调控。这一工作展示二维摩尔超晶格不仅具有独特新颖的物理性质，还能够呈现显著提升的光催化活性，具有可调控的化学性质，预示二维摩尔超晶格在电子学、光电子学，光催化和实际环境净化等方面的潜在广阔应用前景。

这一研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上基金、优秀青年基金、吉林大学高层次科技创新团队和吉林省长白山学者特聘教授等项目的资助。该工作由吉林大学科研团队与澳大利亚莫纳什大学马纬良博士与鲍桥梁教授、新加坡国立大学方涵彦博士与吕炯教授、北京中科院高压物理所郑黎荣研究员、加拿大戴尔豪斯大学张鹏教授、美国缅因大学余礼平教授、美国密苏里大学David J. Singh教授以及新加坡南洋理工大学熊启华教授共同合作完成。