科研进展：高对称位点诱导的转角三层MoS₂中超大周期莫尔晶格的形成

在过渡金属硫族化物（TMD）中引入层间转角构建三层转角系统，当两个特定（公度）转角耦合时，可在顶-中层和底-中层之间产生两个独立的莫尔晶格，特定双莫尔晶格的耦合可能诱导三层间原子堆垛序的层间滑移，从而产生超大周期的莫尔晶格。理论预测，三层系统中的超大莫尔周期比双层莫尔超晶格的周期增大数倍甚至数十倍，从而根本上改变体系的平带和电子关联等物理性质。

近日，北京师范大学窦瑞芬教授研究组利用NaCl辅助-载气扰动化学气相沉积（CVD）法，成功制备出层间转角精确可调的转角三层（Tt）MoS₂同质结。该策略通过精确控制生长条件，实现了顶至中层（T-M）为2.7°公度转角，而中至底层（M-B）从公度转角到非公度转角系列变化的三层结构（见图一）。在具有双公度转角2.7°/21.9°的Tt-MoS₂结构中，莫尔周期(λSM)约为24nm 的超莫尔晶格形成，超晶格的周期比21.9°转角双层的大30多倍。这种超大莫尔晶格由周期性排列的镜像对称三角镶嵌图案组成，包含五种不同的高对称堆垛构型和源于层间滑移的弛豫区域（见图二、图三和图四）。这种稳定的超大周期莫尔晶格能形成深莫尔势阱，有效抑制层内莫尔激子复合，并在高达9T的磁场下抵抗激子的谷间交换相互作用，极大地增强了其层-谷锁定的极化率（见图五）。转角三层体系中角度依赖的超大莫尔晶格的形成，为设计具有特定光电响应的量子材料提供了多功能平台，将极大地推动谷电子学和激子器件的发展。

相关研究成果近日以“Ultra-Large-Period Moiré Lattices in Twisted Trilayer MoS₂ Induced by High-Symmetry Sites”为题发表在国际著名学术期刊《Advanced Materials》。北京师范大学物理与天文学院博士生张天天、中国科学院物理研究所沈希副研究员、杨洋副研究员、北京应用物理与计算数学研究所崔娟助理研究员为共同第一作者；北京师范大学窦瑞芬教授、南方科技大学薛其坤院士、中国科学院物理研究所禹日成研究员为共同通讯作者。北京师范大学物理与天文学院为论文第一单位。参与本工作的还包括南方科技大学王取泉教授、北京师范大学龙闰教授和聂家财教授等课题组。

该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的经费支持。

图1 转角三层MoS2中超莫尔晶格的结构示意图与光学性质。（a）超莫尔晶格示意图，该结构由具有自下而上（LB、LM、LT）扭转角的三层MoS2产生，展示了原子堆叠构型的周期性调制，其莫尔超胞由白色六边形标出。（b）转角三层MoS2的倒易空间示意图。蓝色、绿色和红色六边形分别表示底层、中层和顶层MoS2的第一布里渊区，相应的莫尔超晶格倒易点阵由灰色六边形表示。黑色箭头代表三层区域超莫尔倒易点阵的基矢。（c）转角三层MoS2的示意图（左上）； 21.9°转角的双层MoS2的光显图像（右上）；扭转角分别为2.7°/21.9°和2.7°/30°的转角三层MoS2晶体光显图像（下方）。（d）双层MoS2于三层转角MoS2的高频拉曼光谱。（e-g）从左至右分别为：基于𝐸12𝑔峰强度、A1g峰位以及Δω（A1g-𝐸12𝑔）得到的转角三层MoS2Ramman 扫描图像。

图2. 单层及具有非公度（30°）与公度（21.9°）转角双层MoS2的STEM表征与结构特征。（a, b）分别为单层MoS2的STEM-ADF图像与SAED衍射图案。（c, d）30°-双层MoS2的STEM-ADF图像与SAED衍射图案。黄色与绿色点状图案分别来自于转角双层中的底层（LB）与顶层（LT）。（e）从（c）获得的30°转角双层MoS2的两组FFT花样。（f）30°-转角双层MoS2的原子结构模型。（g, h）分别为30°转角双层MoS2的原子分辨率STEM图像（上图）及对应的Stampfli莫尔拼图模型（下图）。（i, l）21.9°公度转角双层MoS2在宏观尺度i与原子尺度l的STEM-ADF图像。（j, k）21.9°-双层MoS2的SAED衍射花样j与FFT花样k。莫尔超晶格衍射斑点用白色虚线圆圈标出。（m, n）分别为21.9°转角双层MoS2的原子分辨率TEM图像（上图）及对应的Stampfli莫尔拼图模型（下图），展示了角度依赖的结构变化。

图3. 2.7°/21.9°-转角三层MoS2中超莫尔晶格的表征。（a）2.7°/21.9°-转角三层MoS2中的超大周期超莫尔晶格。（b）2.7°/21.9°-转角三层MoS2的SAED衍射花样，证实了超莫尔衍射斑点及层间扭转角（顶层-中层2.7°，底层-中层21.9°）。红蓝圆圈色标注为一级Umklapp散射斑点。（c）2.7°/21.9°-转角三层MoS2中的超大周期莫尔晶胞，包含tAA、tAB、tBA、IM和AR五种高对称畴区。（d）2.7°/21.9°-转角三层MoS2中形成的刚性晶格莫尔图案。（e，f）2.7°/30°-转角三层MoS2的STEM图像及对应的SAED衍射花样，其中橙色、绿色和黄色分别标示顶层、中层和底层产生的六方衍射斑点阵列。（g, h）2.7°/30°-转角三层MoS2的高分辨STEM图像及对应的原子结构模型示意图。

图4. 2.7°/21.9°-转角三层MoS2中不同堆叠序的原子构型及层间结合能。（a）2.7°/21.9°-转角三层MoS2的典型STEM-ADF图像，其中五个高对称堆叠畴区tAA、tAB、tBA、IM和AR分别用白色虚线标出。（i-v）2.7°/21.9°转角三层MoS2样品五个畴区（tAA、tAB、tBA、IM、AR）的STEM-ADF图像、原子结构（俯视图与侧视图）及结构模拟结果。（b）通过密度泛函理论计算得到2.7°/21.9°-转角三层MoS2样品中五个畴区的层间结合能密度与层间距关系。（c）层间堆叠能随堆叠畴区的变化关系。插图显示tAB和tBA畴区的扩张形态。

图5. 转角三层MoS2晶体中的莫尔激子。（a-d）0°/0°-、2.7°/30°-和2.7°/21.9°-转角三层MoS2的低温PL光谱（4K）及其对应得洛伦兹函数拟合PL谱。（e, f）分别在9 T、0 T和−9 T磁场下，采用σ+泵浦光激发时，2.7°/21.9°-和2.7°/30°-转角三层MoS2的偏振分辨PL光谱。（g, h）2.7°/21.9°-和2.7°/30°-转角三层MoS2中mXA激子的圆偏振度。（i）转角三层MoS2体系谷选择规则的示意图模型：蓝色（黄色）球体表示导带（价带）中的电子（空穴），白色箭头表示自旋向上或向下，蓝色（橙红色）椭圆表示K（-K）谷发射的σ+（σ-）光。（j, k）分别为正磁场（B > 0）和负磁场（B < 0）下MoS2的能带结构示意图，展示了在σ+泵浦光激发时，顶层（K谷）、中层（K谷）和底层（-K谷）的导带（价带）塞曼能移。

[1] Zhang T.T., Shen X., Yang Y., Cui J., Xu X.H., Long R., Feng J.B., Yang J., Nie J.C., Yu R.C*., Wang Q.Q., Xue Q.-K.*, Dou R. F. *, Ultra-Large-Period Moiré Lattices in Twisted Trilayer MoS2 Induced by High-Symmetry Sites. Advanced Materials 2026, e15968. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202515968