beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所劉開輝教授課題組與合作者提出“多重界面耦合原子制造”新策略，首次實現兼具特定手性結構（包括扶手椅型、之字型及其他手性結構）及相幹極化方向的二硫化鎢（WS₂）條帶陣列的“全同”控制制造。通過系統研究手性結構與體光伏效應的對應關系，實現1000餘根扶手椅型條帶陣列的自發光電流集成輸出。該研究為一維結構的原子級精準制造提供了定制化方案，有望促進其在新型電學、光電轉換器件的陣列化集成芯片加工。2024年6月6日，相關成果以“具有可控手性與相幹極性的二硫化鎢條帶陣列”（WS₂ribbon arrays with defined chirality and coherent polarity）為題，在線發表于《科學》（Science）。

一維材料降低的幾何維度為其帶來諸多優異物理性質，在新奇物态調控、先進制程集成電路、新一代太陽光伏系統等領域具備廣闊應用前景。其中，一維過渡金屬硫族化合物因其高可見光吸收率、低結構對稱性等特性，被認為是構築非常規光伏器件的理想材料體系。然而，自發光電流的規模化收集對其一維結構制備要求極其嚴苛：首先，單個一維結構需具備穩定可觀的自發光電流生成；其次，不同一維結構間的手性結構及極化方向需保持嚴格一緻，從而保證集成器件的整體光電流相幹增強；同時，高密度排布的平行一維陣列是高效能量收集及轉化的集成芯片制造前提。經過近30餘年發展，一維碳結構（例如碳納米管、石墨烯納米帶）在陣列可控制備方向取得重要進展。然而，過渡金屬硫族化合物的非中心對稱結構使其一維結構手性及極性控制極為複雜。迄今為止，原子級精準的一維結構制造（包含手性結構、極化方向等）尚無法實現。

針對上述問題，劉開輝課題組與合作者提出一種“多重界面耦合原子制造”新策略，實現了具有可控手性與相幹極性的WS₂條帶陣列的“全同”控制制造：（1）WS₂-藍寶石外延界面耦合決定WS₂晶格排布方式；（2）Na₂MoO₄前驅體-藍寶石原子級台階耦合作用限制條帶軸向方向；（3）WS₂-Na₂MoO₄前驅體耦合作用鎖定條帶的單一極化排布方向。通過精準設計特定晶面藍寶石襯底，調控表面原子級台階與晶格排布的相對關系，成功實現了扶手椅型、之字型、手性結構（含左手手性、右手手性）的WS₂條帶的精準原子制造。其中，扶手椅型條帶陣列具有沿軸方向的相幹極性，表現出增強的體光伏效應，短路電流密度達到0.37 A/cm²，且可基于1000餘組WS₂條帶陣列器件集成實現光電流的集體放大輸出。該工作為複雜結構一維材料體系提供了原子水平精準結構定制策略，有望推動自驅動光電探測及新機理太陽光伏等領域的技術發展。

圖1：具有可控手性與相幹極性WS₂條帶陣列制造及自發光電流集成輸出

beat365博士生薛國棟、郭泉林，beat365“博雅”博士後周子琦，昆明理工大學副教授左勇剛為論文共同第一作者；劉開輝、中國人民大學劉燦副教授、中國科學院半導體研究所魏鐘鳴研究員和中國科學院深圳先進技術研究院丁峰研究員為論文共同通訊作者。其他主要合作者還包括深圳國際量子研究院俞大鵬院士，beat365高鵬教授，清華大學李群仰教授，昆明理工大學張利波教授，上海科技大學王竹君教授等。

研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究重大項目、新基石科學基金會科學探索獎等相關項目及beat365納光電子前沿科學中心、beat365電子顯微鏡實驗室、量子物質科學協同創新中心、輕元素先進材料研究中心、松山湖材料實驗室等的大力支持。

論文原文鍊接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn9476