各向异性二维材料为定向可编程电子学提供了变革性潜力，但结构对称性与电子各向异性之间的根本性权衡限制了其器件应用。
2025年11月5日，天津大学常务副校长胡文平/耿德超、大连理工大学高峻峰团队合作在Advanced Materials期刊发表题为“Oxygen-Mediated Topological Growth of MoS2 for Symmetry-Anisotropy Coengineered Ultrafast Electronic Switching”的研究论文，天津大学张晴、大连理工大学张艳雪为论文共同第一作者，耿德超、高峻峰为论文共同通讯作者。
该研究报道了一项拓扑工程突破，在星形单层MoS₂畴中同时实现了伪C₆对称性和高面内各向异性。结构表征揭示了两种不同的晶格排列模式，分别对应扶手椅（AC）和锯齿形（ZZ）晶体学取向，二者方位角相差30°，从而实现了角分辨的各向异性晶体管，其具备卓越的电子迁移率（µAC = 84.06 cm² V⁻¹ s⁻¹，µZZ = 57.80 cm² V⁻¹ s⁻¹）以及高达10.91的宽范围可调电子各向异性比（IAC/IZZ）。利用这种对称性与各向异性的双重控制，研究人员展示了一种超快方波发生器，其具备取向可编程的开关特性，每事件能量效率仅为39 aJ。该工作为二维材料中对称性与各向异性的协同工程提供了新见解，为设计高能效、高速开关电子器件建立了一个新颖平台。
面内各向异性二维材料为定向电子学提供了一个独特的平台，因而近年来受到了广泛关注。这些体系展现出方向依赖的光学、热学及电子特性，其晶体取向决定了器件功能，代表性材料包括SiAs、ReS₂、GeS、SnS等。通常，这种方向依赖的电子特性源于晶体学排列的原子轨道相互作用，这种作用会形成不同的电子传输路径——部分路径实现低电阻传导，而其他路径则引发强散射，从而有效构成了一个本征电子罗盘。
二维材料中的对称性与各向异性在晶体学设计中常呈现固有的权衡关系。具体而言，高旋转对称性（例如三重旋转对称性C₃或六重旋转对称性C₆）通常要求沿所有晶体学轴具有等效电子环境，这从根本上限制了各向异性比。反之，强各向异性往往需要低对称性结构（如二重旋转对称性C₂），这类结构因状态转换需要更大的角度位移（120°–180°）而牺牲了开关效率。这就形成了材料设计中的悖论：具有快速开关能力的系统（高对称性）往往表现出弱各向异性，而强各向异性系统则因其低对称性导致开关动力学缓慢。
在众多二维材料中，过渡金属二硫族化合物（TMDs）如MoS₂呈现出特殊案例：虽然通常表现出各向同性的C₃对称性，但其通过沿扶手椅（AC）与锯齿形（ZZ）取向展现的差异化电子特性所体现的面内各向异性本质，在实验研究中仍未得到充分探索。过去，为充分挖掘TMDs的各向异性潜力，研究人员开发了对称性工程策略，通过将其与低对称性介电材料集成来调控其固有的C₃对称性。例如，Li等人通过将MoS₂与具有非对称C₂对称性的各向异性介电体SiP₂结合，构建了范德华异质界面。这种战略性对称性降低将原本各向同性的MoS₂转化为强各向异性体系，在光学响应与电荷传输特性上均展现出显著的方向对比度，其电导各向异性比高达10³。类似地，近期关于MoS₂/CrOCl异质结构的研究揭示了界面对称性破缺如何诱发新颖光电现象。CrOCl产生的各向异性晶体场消除了MoS₂中的能级简并，实现了偏振敏感光电探测并产生体光伏效应——这些特性在高对称性二维体系中是被严格禁止的。
尽管现有策略通过破坏MoS₂的本征对称性来产生各向异性，但这些方法主要产生界面或面外各向异性，而非本征的面内各向异性，且未能同时保持高对称性与强各向异性。这些方法存在若干固有局限性：其一，界面修饰不可避免地在异质界面引入无序和应变，从而损害载流子迁移率；其二，各向异性的实现往往以牺牲结晶度为代价，或需要复杂的异质结构组装；其三，大多数方法仅实现中等程度的对称性降低（如C₃→C₂），尚未探索高阶对称性控制；其四，实验测得的各向异性传输性能始终未能达到理论预测值。该研究提出，MoS₂本质上同时具备高对称性与高各向异性。然而，由于缺乏明确的晶格取向指示标志，其各向异性特性至今尚未得到充分探索和利用。所有这些因素都要求研究范式从外源性异质结构工程向本征拓扑控制的转变。
鉴于此，该研究通过拓扑工程将MoS₂的本征C₃对称性转化为伪六重旋转对称性（伪C₆对称性），这种新型对称性融合了形态C₆对称、晶格C₃对称与各向异性C₂对称性。具体而言，研究人员提出了一种氧等离子体介导化学气相沉积法（OPMCVD），用于高产率合成星状单晶MoS₂。星状MoS₂单晶中的伪C₆对称性既可实现30°切换效应，又能保持强烈的方向性传输对比度，从而在根本上解耦了对称性与各向异性之间的权衡关系。基于这种独特拓扑结构，研究人员制备了角分辨各向异性晶体管。测试结果表明：锯齿形取向的电子迁移率最高达57.80 cm² V⁻¹ s⁻¹，而扶手椅取向则展现出更高的84.06 cm² V⁻¹ s⁻¹迁移率。这些实验结果与理论极限值高度吻合。更重要的是，通过动态调控栅源电压与漏源电压偏置，该晶体管实现了1.02至10.91的可调各向异性比，创下二维各向异性材料的最高纪录。此外，研究人员利用星状MoS₂畴的高伪C₆对称性，将此类晶体管作为转子集成到能实现超快切换的方波发生器中。该发生器具有多种工作模式，可同步通过漏源电压、栅极电压和旋转速度进行调控，在特定工作条件下单次事件能耗低至39 aJ。该工作不仅突破了二维过渡金属硫族化合物中结构对称性与电子各向异性的传统权衡关系，更为设计高性能定向电子器件开辟了新路径。
图1 拓扑定制化MoS₂畴的可控合成及相应质量表征
图2 拓扑生长机理的理论模拟
图3 星状MoS₂畴的原子结构
图4 角分辨各向异性晶体管的器件性能
图5 星状MoS₂的各向异性电子特性
图6 基于角度分辨各向异性晶体管的方波发生器
总之，该研究开发了一种OPMCVD方法，能够引导MoS₂从三角形向星形结构发生拓扑演化——通过等离子体产生的活性氧物种选择性降低边缘附着能垒，从而成功实现伪C₆对称性。此项拓扑工程带来三大突破：其一，获得了遵循理论趋势的高电子迁移率（µAC = 84.06 cm² V⁻¹ s⁻¹，µZZ = 57.80 cm² V⁻¹ s⁻¹）；其二，通过动态调控VGS与VDS偏压，实现了宽范围可调的各向异性比（IAC/IZZ = 1.02–10.91）；其三，成功研制出具有取向可编程功能的方波发生器，该器件凭借伪C₆对称性实现30°超快切换，支持通过VDS、VGS和ω调控的多模式操作，且单次事件功耗低至39 aJ。通过突破晶体对称性与传输各向异性之间的固有矛盾，该研究将晶体学取向确立为主动器件参数，为开发取向依赖逻辑器件与高能效二维电路开辟了新途径。
来源：生化环材人公众号
DOI：10.1002/adma.202513984
