東京大學與北陸先端科學技術大學院大學、筑波大學等組成的研究團隊,利用液-液相分離形成的液滴,成功製作出具有雙層結構的過渡金屬二硫族化物(Transition Metal Dichalcogenides; TMDC),並確認形成了莫爾結構(Moiré Structure)。
TMDC是一種厚度僅約3個原子層的二維材料,當2片TMDC單層在堆疊時產生微小角度錯位,即可形成莫爾結構。此種結構會產生單層TMDC所不具備的特殊物理特性。過去要製作雙層TMDC,通常需將2片單層材料逐片以機械方式手動堆疊,製作效率極低。
為解決此問題,東京大學研究團隊開發了一項新的溶液製程技術,透過在基板上預先製作大量單層二維材料,並藉由溶液處理使其一次性折疊,即可簡易地形成大量具有莫爾結構的扭轉雙層(Twisted Bilayer)。在此過程中,研究團隊利用液滴表面張力作為折疊的驅動力,發現液滴的凝聚運動能促使二維材料自發折疊。藉由溶液製程,可同時且大量地形成莫爾結構。
此外,液滴的生成則利用了液-液相分離現象。研究團隊將疏水性有機分子「三苯膦(Triphenylphosphine; PPh3)」、低級醇「2-丙醇(2-propanol)」、水以特定比例混合成溶液。在溶液乾燥過程中會突然生成微米級液滴。研究證實,此尺寸的液滴對於促進二維材料折疊尤其有效。
研究團隊進一步利用透射電子顯微鏡(TEM)觀察形成的折疊結構,結果確認在不同堆疊角度下確實形成了對應的莫爾結構。由於莫爾結構的特性高度依賴於堆疊角度(Twist Bilayer),研究指出,只要在折疊處理前對單層材料的形狀進行適當設計,即可在一定機率下控制其折疊方向,進而調整堆疊角度。此項技術將可望為莫爾超晶格二維材料的大量製作提供一種簡便且高效率的新方式。