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晶体材料全国重点实验室任华英教授与合作者在二维材料插层超晶格领域取得重要进展，综述文章“Modular synthesis of chemically programmable superlattices”（化学可编程超晶格的模块化合成）在国际学术期刊《Nature Materials》在线发表。任华英教授与南开大学周劲媛特聘研究员为论文共同第一作者，加州大学洛杉矶分校段镶锋教授为通讯作者。
在原子尺度上精准构筑异质结构，是推动凝聚态物理以及下一代电子、光电子器件发展的重要基础。传统方法依赖高温外延生长，通常要求组分材料具有较高的晶格匹配度和相近的化学特征。当试图整合性质迥异的材料，如半导体与磁性分子时，界面缺陷和结构无序往往难以避免，严重制约器件性能。二维原子晶体（2DACs）的兴起为突破这一瓶颈提供了全新思路。其层间天然的范德华间隙可作为“纳米反应器”，容纳不同的原子、离子或分子。这些受限域的插层剂能够自组装形成有序结构，与二维原子层交替排列，构成插层超晶格。然而，如何将具有光、电、磁活性的功能插层剂稳定、可控地引入层间并维持其有序排列，仍是该领域面临的核心挑战。
针对上述问题，文章系统梳理了功能二维原子晶体以及原子、离子、分子和纳米团簇等插层单元，阐明了能带匹配、前沿分子轨道、官能团、磁矩和分子对称性等因素对电荷转移、层间耦合及自旋有序的调控作用。在此基础上，文章总结并比较了化学插层、电化学插层、阳离子交换、共插层、剥离共组装和插层后转化等主要合成策略，提出从目标物性和功能单元出发，综合考虑热力学驱动力、化学反应活性及电化学稳定性的模块化合成路线选择框架。已有研究表明，通过合理选择合成方法，可将半导体、超导体、拓扑绝缘体、铁磁体等二维材料与荧光分子、手性分子、自旋活性配合物等功能单元集成，实现对层间电子、自旋和对称性的人工调控。例如，2H-TaS2/手性分子插层超晶格表现出超过300%的隧穿磁电阻和60%以上的自旋极化率（Nature606, 902–908, 2022），在相关体系中观察到的与手性超导相一致的实验迹象，则进一步显示了分子插层在量子材料设计中的潜力（Nature632, 69–74, 2024）。
文章进一步讨论了插层物在受限空间中的取向、周期性和螺旋排列对材料性能的影响，并提出“intertaxy”概念，用以描述原子或分子插层物在二维晶格的模板作用下，通过弱非键相互作用形成有序结构的过程。研究指出，发展原位与多模态表征技术，并结合第一性原理计算、人工智能筛选、自动化高通量合成和闭环优化，有望加速化学可编程超晶格的设计与发现，为新型电子器件、光电子器件、自旋电子器件及量子技术提供材料基础。
《自然·材料》（Nature Materials）是国际材料科学领域的重要期刊，由施普林格·自然（Springer Nature）出版，主要发表材料合成、结构、性能及应用等领域具有原创性和重要影响力的研究成果。
