本文是一篇发表在化学领域顶级期刊《Chemical Reviews》2024年第124卷上的学术综述文章，由Carter Fox、Yulu Mao、Xiang Zhang、Ying Wang和通讯作者Jun Xiao*共同撰写。该综述系统地总结了近年来二维范德华（van der Waals, vdw）材料中堆叠序（Stacking Order）工程的研究进展及其在各类器件中的应用，涵盖了从典型制备与表征方法到新奇的物理性质，再到新兴的滑移电子学（slidetronics）与扭旋电子学（twistronics）器件原型。
本文的核心科学领域是二维材料科学，特别是聚焦于通过调控原子级薄层之间的相对滑移（lateral displacement）和扭转（rotation）——即“堆叠序”——来设计和创造具有新颖电学、光学和磁学性质的量子材料。文章指出，在人工智能、5G和物联网等技术驱动的信息革命下，全球数据量激增，对现有计算架构和器件能力提出了巨大挑战。二维范德华材料因其微型化的维度、丰富的结构自由度、原子级清洁的界面以及卓越的电学、光学和力学性质可调性，被视为突破现有技术瓶颈的顶级候选材料之一。
二维范德华材料的层间通过微弱的范德华力结合，这使得层间滑动和扭转所需的能量远低于改变层内共价键所需的能量（约1-10 meV/原胞）。这种高效、灵活的“堆叠序工程”为按需设计材料的量子特性（如铁电性、强关联性和拓扑序）开辟了全新路径，释放了其在电子学、自旋电子学、光子学和表面化学中实现高性能微型化器件的巨大潜力。本综述旨在提供一个全面的概述，强调堆叠序在影响层间电荷转移、轨道耦合和平带形成方面的关键作用，并论证堆叠构型与器件功能之间的关联，为下一代电子、光子和化学能量转换器件的发展指明方向。
第一，层间滑动（Slide）工程及其引发的物理现象。 本部分重点探讨了通过控制层间相对滑移来改变堆叠序，以及由此产生的“滑动铁电性”（sliding ferroelectricity）等新奇量子序。文章首先回顾了可用于探测不同滑移堆叠序的表征技术，包括拉曼光谱（特别是低频拉曼对层间剪切和呼吸模式的探测）、二次谐波产生（SHG）光谱（对晶体对称性敏感）、透射电子显微镜（TEM，提供原子级分辨率）以及基于原子力显微镜（AFM）的技术（如导电AFM、近场红外纳米显微镜）。这些方法是识别堆叠序和监测堆叠相变的基础。
随后，文章深入阐述了“滑动铁电性”的机理与实现。与传统铁电体（如PZT）的离子位移导致的自发极化不同，滑动铁电性源于非中心对称的堆叠构型产生的层间极化，其极化方向可以通过层间滑动来翻转。文章以Td-WTe₂、菱方堆叠（R-stacked）过渡金属硫族化合物（TMDs）以及人工堆叠的六方氮化硼（BN）为例，说明了这种铁电性的自然存在与人工构建。压电力显微镜（PFM）是观测和操控铁电畴的关键工具。理论研究（基于密度泛函理论DFT和微动弹性带NEB方法）揭示了这种极化通常源于层间电荷转移或轨道畸变。实验上，已经实现了通过电场、载流子掺杂甚至超快太赫兹脉冲对滑动铁电态的动态控制。此外，堆叠序还可以与磁性和超导等其他量子序耦合。例如，在CrI₃中，通过静水压力或理论预测在VS₂中通过电场诱导的层间滑动，可以实现磁性基态（反铁磁/铁磁）的切换；在Td-MoTe₂和魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）与BN的异质结构中，观察到了铁电开关对超导态的调控。
第二，层间扭转（Twist）工程与莫尔（Moiré）超晶格物理。 这部分聚焦于“扭旋电子学”（twistronics），即通过控制两层材料之间的微小扭转角来形成莫尔超晶格。莫尔周期势可以显著改变电子结构，产生平带，从而引发强关联电子现象。文章首先介绍了莫尔超晶格的基本几何与物理，其周期由扭转角θ和晶格失配δ决定。接着，详细阐述了莫尔材料的组装方法：对于同质双层（如扭曲双层石墨烯），常用“撕裂-堆叠”（tear-and-stack）法进行手工精确组装；对于异质双层，则采用聚合物辅助干法转移。文章特别强调了通过化学气相沉积（CVD）等化学合成方法大规模制备具有可控扭转角材料的最新进展，如“异位成核”策略和利用预旋转单晶铜箔复制角度的方法，这为扭旋电子学走向实际应用迈出了关键一步。
在表征方面，除了上述通用技术，偏振依赖的SHG、导电AFM和TEM成像被专门用于精确测定扭转角和可视化莫尔图案（如AB/BA堆叠畴域）。文章重点综述了超越经典石墨烯和TMDs平台的新奇物理性质。在莫尔磁性方面，以CrI₃为例，理论预测和实验初步证实，在小扭转角下，莫尔周期内同时存在倾向于铁磁和反铁磁耦合的不同堆叠区域，在畴壁处可能形成非共线自旋纹理（如斯格明子）。这为在二维极限下研究和操控复杂自旋结构提供了新平台。在关联物理拓展方面，文章提到了在矩形莫尔半金属中实现一维 Luttinger Liquid（LL）相的可能性，这展示了莫尔工程作为量子模拟器的潜力，可以模拟那些在常规体系中难以实现的物理模型。此外，多层扭转体系（如扭曲三层及以上）由于存在多个莫尔周期和更复杂的干涉效应，呈现出更为丰富的相图和关联现象。
第三，基于堆叠序工程的器件应用。 本部分将基础物理发现与潜在技术应用联系起来。文章将器件应用分为三类： 1. 电学应用：包括基于滑动铁电性的非易失性存储器（如铁电晶体管、忆阻器），其优势在于极低的翻转能耗；以及基于莫尔平带奇异电子态的逻辑与传感晶体管。 2. 光学应用：莫尔势阱可以束缚激子，形成莫尔激子，可用于制造量子发射器（单光子源）。莫尔超晶格还能调控层间激子的空间分布和发光特性，为新型激光器（层间激子激光器）和高效光伏器件（通过扩展光吸收谱和促进电荷分离）提供设计思路。 3. 表面化学应用：莫尔超晶格产生的周期性静电势可以调制催化剂表面的局部电子结构和反应活性位点，为设计高效、选择性的电化学催化剂（如析氢反应HER）开辟了新途径。文章引用研究显示，在扭曲WSe₂/MoS₂异质结中，莫尔周期内的不同堆叠区域表现出差异化的催化活性。
第四，总结与展望。 文章最后总结了该领域面临的挑战与未来的机遇，主要包括： 1. 可重复、大规模的堆叠材料合成与加工：需要发展更可靠、高通量的制备技术以实现均匀、大面积的特定堆叠序结构。 2. 精确且高效的理论建模：需要发展能够处理大尺寸莫尔超晶格和复杂电子-电子相互作用的计算方法和软件。 3. 拓宽滑移与扭旋电子学的材料选择：将研究扩展到更多的磁性材料、拓扑材料、超导体和有机范德华材料体系。 4. 堆叠工程材料与器件中的畴动力学和超快动力学：需要深入理解铁电畴壁运动、自旋纹理动力学以及超快光激发下载流子和晶格的演化过程。 5. 堆叠工程启用的新化学功能：进一步探索莫尔势在催化、表面合成和化学传感等方面的应用潜力。
本篇综述的价值在于其系统性和前瞻性。它不仅仅是对已有研究工作的罗列，而是清晰地构建了以“堆叠序”为核心，以“滑移”和“扭转”为两大调控维度的研究框架，将分散在二维材料、凝聚态物理、器件工程和催化化学等多个子领域的前沿进展有机地整合在一起。文章强调了从基础物理机制（对称性破缺、电荷转移、电子关联）到材料制备与表征，再到功能器件原型这一完整的创新链条。它不仅为领域内的研究人员提供了一份宝贵的“路线图”和“工具手册”，也向更广泛的科学界和工程界展示了二维范德华材料堆叠序工程在解决未来信息与能源技术挑战方面的巨大潜力。作者们指出的五大未来方向，精准地把握了领域发展的关键瓶颈与突破口，对后续研究具有重要的指导意义。