自1970年超晶格被提出以来，超晶格因其独特结构特点带来的新奇电学、光学以及磁学性质使其在电子器件、光电器件、磁存储等领域展现出广阔的应用前景。一般而言，常见超晶格结构主要由相同维度的晶体结构组成 (如3D-3D、2D-2D以及1D-1D超晶格)。近年来，二维材料的发展使得超晶格家族更加丰富，包括范德华异质结、moiré超晶格及电化学插层化合物：如六方氮化硼/石墨烯超晶格、转角石墨烯moiré超晶格、[(GeTe)_x/ (Sb₂Te₃)_y]_n混合型超晶格、有机分子 (十六烷基三甲基溴化铵) 插层黑磷或二硫化钼超晶格以及本征原子插层晶体 (包括Nb基和V基超晶格) 和二维超晶格MnBi₂Te₄系列等。这些超晶格结构展现出的超导性、铁磁性和拓扑性等特性，极大的丰富了凝聚态物理的研究并有望应用于新型量子自旋电子器件。然而，从结构上来讲，当前已报道的超晶格主要为结构或者维度相同的物质结合而成 (3D-3D、2D-2D和1D-1D超晶格)。另一方面，这些超晶格结构大多是通过MBE外延生长或利用机械剥离二维材料进行人工堆叠所获得。利用不同维度的不同物质直接构筑制备超晶格结构是过去50年间的一大研究空白。实现构建不同维度的二维(或三维)/一维超晶格结构将极大的推动该领域的发展。

图1. VS₂-VS超晶格生长过程和光学图像。a, VS₂-VS的生长过程。b, VS₂-VS超晶格薄片的光学图像。c, 不同厚度的VS₂-VS超晶格的拉曼光谱。d, VS₂-VS中SHG强度随角度的变化曲线。e, VS₂-VS超晶格中V 2p 的XPS光谱。

为了确定超晶格的原子结构，该实验对样品进行描透射电子显微镜 (STEM) 和横断面环形暗场显微影像（ADF）测量。图2(a)、(b)分别从俯视图和侧视图展示VS₂-VS超晶格原子模型结构。VS₂单层呈现出1T相，其中V原子和S原子以八面体配位排列。VS链是一种在VS₂层间的一维结构，形成一个较大的 (1×3) 单胞，其中V原子与S原子呈三角金字塔配位。VS₂-VS超晶格属于具有C2/m空间群的单斜晶系，其中单胞的晶格参数为a = 9.69 Å, b= 3.23 Å, c = 8.60 Å, α = 90°, β = 101°和γ = 60°。VS₂层的堆叠顺序并不是常见的1T相，而是插入VS链的3R (菱形) 相。图2(c)、2(d)展示了VS₂-VS超晶格的截面ADF图，原子结构与图2(a)、(b)所示的原子模型相匹配。

图3. VS₂-VS超晶格的原子结构。a, 超晶格的彩色低倍ADF图。b，超晶格最薄区域原子分辨率ADF图。c, d, 放大的超晶格ADF图及相应模拟图。e, 2VS₂ + 1VS的ADF图，其中有区域暴露出单层VS₂。f，EELS 2D光谱图，取沿e图中绿色的线扫描。橙色和青色箭头分别指向VS₂ + VS和VS₂。g, VS₂ + VS（橙色光谱）和VS₂（青色光谱）钒 L 边缘的 EELS 光谱。

物质的组成和结构决定了物质的性质。由于奇异的1D VS链存在，且与2D VS₂相互耦合，使得2D-1D (VS₂-VS) 异维超结构表现出完全不同于VS₂、V₅S₈等结构的室温面内大反常霍尔效应。图4展示了150 K下，磁场沿着不同方向时测得的霍尔电阻率ρ_xy：磁场垂直于衬底时 (B||z) 可以观测到面外霍尔效应；当磁场在面内B||y时，没有观测到霍尔效应。惊奇的是，当面内的磁场B||x时，该结构展现出霍尔效应，甚至大于面外霍尔效应，这种区别于常规洛伦兹力导致的，面内磁场引起的非常规霍尔效应，这里称之为面内霍尔效应 (IPHE)。值得一提的是，这里的面内霍尔效应不同于之前研究中所提到的平面霍尔效应 (Planar Hall Effect)，来源于霍尔电导的反对称分量，因此本质上是无耗散的。此外由于在面内磁场的构型下，洛伦兹力不贡献霍尔效应，因此该效应实质上是一种面内的反常霍尔效应。

如图4(b)所示，不同温度下的输运实验进一步表明，IPHE在室温下仍然存在 (实验最高温度为380 K)。在室温时，IPHE的霍尔系数为0.44 × 10⁻³ cm³ C⁻¹，仍然比面外霍尔效应大。图4(c)展示了面内霍尔电导率随温度呈指数衰减，据此可得出约8 meV 的带隙。角度依赖的霍尔效应研究如图4d-f所示。当磁场在z-y面内旋转时，由于存在面外磁场分量，而面内分量B||y不贡献，与通常的霍尔效应一样，霍尔电阻率呈现出正弦曲线。当磁场在x-y面内旋转时，霍尔电阻率在B||x时最大，在B||y时消失，整体也呈现出简单的正弦曲线。当磁场在z-x面内旋转时，结果显示为相移后的正弦曲线，它可以被准确的分解为面内霍尔效应和面外霍尔效应。这些角度依赖的霍尔输运结果表明，IPHE只正比于磁场在x方向的投影。

通讯作者、第一作者

周家东，北京理工大学物理学院教授、博导。

2018年获得南洋理工大学博士学位。担任《Chinese Chemical Letters》编委，《Materials Horizons》，《Rare Metals》,《Smartmat》,《Nano Research》等期刊青年编委。致力于新型二维量子与半导体材料的可控制备、新奇物性及应用研究。发表论文一百余篇，包括Nature (2篇), Nat Mater, Nat Electron, Nat Commun, Advanced Materials, Nano Letters等，引用7000余次，h因子41。

通讯作者

姚裕贵，北京理工大学物理学院院长，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任。

1992年在南开大学获得物理学学士学位，其后分别获得中科院上海光机所的光学硕士学位（1995）和力学所的力学博士学位（1999）。1999-2003年先后在中科院物理所、Texas大学Austin分校从事博士后研究，2001-2011年物理所先后任助理研究员、副研究员、研究员，2011年底调到北京理工大学工作。

现任北京理工大学物理学院院长，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任，先后获评长江学者、国家杰青，享受政府特殊津贴，国家重点研发计划项首席科学家，连续4年入选科睿唯安“高被引科学家”名单，曾荣获国家自然科学奖二等奖、北京市高等教育教学成果二等奖、中国科学院杰出科技成就奖。作为院长，带领北理工物理学科入选国家一流学科建设名单。

研究领域为计算物理和凝聚态物理，发展了反常输运物理量与拓扑不变量的第一性原理计算方法，部分成果写进了教科书，是该领域开拓者之一；引领了硅烯等二维拓扑材料的研究，所提出的理论模型被冠名；完成了三维晶体中准粒子的分类并建立了百科，为搜寻和实现相关演生粒子提供了理论指导；发展了含能材料能量释放性能及感度快速检测技术，填补了相关GF领域技术空白。至今共发表SCI论文240余篇，在反常输运、硅烯、石墨烯、拓扑材料与物性等领域的研究成果具有重要国际影响并被多位诺贝尔奖获得者广泛引用，共被引17500余次，10篇超过500次。

通讯作者

吴孝松，北京大学物理学院研究员、博士生导师。

2003年博士毕业于中国科学院物理研究所。研究低维电子体系在低温强磁场下的量子输运行为、以及对这些行为的量子调控。近年来研究集中在能带拓扑和贝里曲率相关的新奇电输运和热电输运效应。在Nature, Science, PRL, PNAS等杂志发表论文80余篇，引用8000余次。

刘政，南洋理工大学材料科学与工程学院教授、新加坡材料学会讲席教授。

详情请点击论文链接：