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不同時期都有不同的研究熱門領域。過去十數年中一個新興的研究熱點是石墨烯和其他二維材料形成的異質結構，稱為范德華異質結構。2013年，Nature上對相關領域的一篇綜述如今引用已經超過5600，其研究火爆程度可見一斑。
圖1. 火爆的范德華異質結構研究。圖片於2020年2月3日截取自Google Scholar
這些范德華異質結構的研究就是將原子層厚的二維材料按照特定的順序組裝起來，再研究它們性質。由於它們往往具有新穎的電學、光學等方面的特性，因而也成為頂刊的常客。近期，東京大學的Shigeo Maruyama教授和Rong Xiang副教授（共同通訊作者）帶領的團隊另闢蹊徑，製備了納米管構成的一維范德華異質結構，並初步探究了它們的性質，相關成果發表在的Science 上。
圖2. 二維和一維范德華異質結構的示意圖。圖片來源：Science
最初，研究人員在單壁碳納米管（SWCNT）外通過化學氣相沉積（CVD）生長氮化硼。在像差校正高分辨電鏡下可以清晰的看到在SWCNT外嵌套了一層納米管，通過電子能量損失譜（EELS）可以確認為氮化硼納米管（BNNT）。
圖3. 在SWCNT上生長出BNNT。其中D為像差校正HRTEM，F為EELS分析。圖片來源：Science
此前就已經有理論研究對這類一維范德華異質結構（同軸納米管）進行了分析，但實驗驗證卻一直無法實現，因為製備出來的同軸納米管往往都是無定形的。東京大學這個工作的重要性就在於，他們通過電子衍射（ED）等表征證實，製備出的一維范德華異質結構具有單晶結構（圖4C）。根據這些結果，他們認為氮化硼是以SWCNT為模板從納米管的一端開始生長。
圖4. 對SWCNT-BNNT范德華異質結構的結構表征。原子模型（A）；TEM（B）；實驗和模擬的電子衍射圖案（C）以及對納米管手性的分析（D）。圖片來源：Science
從大量的電子衍射結果中，研究人員還發現SWCNT和BNNT之間的手性相關性不大（圖4D）。這表明，除了六方氮化硼外，其他二維材料（如二硫化鉬MoS2）也可以生長在SWCNT上。經過條件優化，研究人員成功在SWCNT上生長了單晶單臂MoS2納米管，並發現生長MoS2納米管要求作為模板的SWCNT直徑不能低於3 nm。結合理論分析，他們指出，這是由於單層MoS2就包含3個原子層，形成直徑很小的納米管需要克服巨大的應變能。
圖5. SWCNT-MoS2納米管一維范德華異質結構的表征。其中D為MoS2納米管直徑和應變能的關係。圖片來源：Science
在此基礎上，研究人員嘗試在SWCNT上依次生長BNNT和MoS2納米管，形成更為複雜、類似「俄羅斯套娃」的一維范德華異質結構。從EELS和ED中都可以確認獲得了目標結構，甚至在肉眼下都能直接分辨出它們的差異（圖6F）。
圖6. SWCNT-BNNT-MoS2一維范德華異質結構 其中D為HAADF下的EELS分析，E為電子衍射結果。圖片來源：Science
此外，研究人員還初步探究了一維范德華異質結構在光學、熱學和電子學方面的性質，特別是SWCNT-BNNT。和原始的SWCNT-BNNT相比，嵌套BNNT並沒有造成光學性質上的顯著差異（圖7A&B），其製備出的場效應電晶體性能上也和SWCNT相當（圖7D-F）。這些都表明生長BNNT的過程不會對SWCNT的結構造成破壞。但外層的BNNT能顯著提升SWCNT在氧化氣氛下的熱穩定性（圖7C），並且，隨著BNNT層數的增加，SWCNT中電子的隧穿能力指數下降（圖7G-I）.
圖7. SWCNT-BNNT一維范德華異質結構在光學（A和B）、熱學（C）和電子學（D-I）方面的性質。圖片來源：Science
對於SWCNT-BNNT-MoS2一維范德華異質結構的性質，研究人員也進行初步研究，並發現相隔著數層BNNT，SWCNT和MoS2納米管之間存在電子耦合。
考慮到現有的二維材料種類繁多，以及范德華異質結構本身又具有多樣的排列組合方式，未來將會有更多一維范德華異質結構被報導出來，它們的性質也會得到更充分的挖掘。從Maruyama-Chiashi課題組網站上可以看到，他們已經對一維范德華異質結構的性質進行了更深入的研究，期待後續的精彩故事。
圖8. 該團隊的後續工作已經投稿。圖片於2020年2月3日截取自Maruyama-Chiashi課題組網站
One-dimensional van der Waals heterostructures
Rong Xiang, Taiki Inoue, Yongjia Zheng, Akihito Kumamoto, Yang Qian, Yuta Sato, Ming Liu, Daiming Tang, Devashish Gokhale, Jia Guo, Kaoru Hisama, Satoshi Yotsumoto, Tatsuro Ogamoto, Hayato Arai, Yu Kobayashi, Hao Zhang, Bo Hou, Anton Anisimov, Mina Maruyama, Yasumitsu Miyata, Susumu Okada, Shohei Chiashi, Yan Li, Jing Kong, Esko I. Kauppinen, Yuichi Ikuhara, Kazu Suenaga, Shigeo Maruyama
Science, 2020, 367, 537-542, DOI: 10.1126/science.aaz2570
（本文由荷塘月供稿）