奈米結構與低維材料

凡得瓦堆疊(van der Waals stacking)

把兩塊扁平磁鐵面對面放,它們會相吸;翻動一本書的書頁,它們則輕聲分開。層狀晶體正是以這種溫和的方式維繫在一起。在每一片原子薄片內,原子由強化學鍵鎖住,但相鄰的薄片彼此間只靠微弱、無所不在的凡得瓦力相吸——就是那種讓壁虎能在天花板上行走的微弱黏性。凡得瓦堆疊,就是這種強鍵薄片鬆鬆地一片疊一片、只靠那微弱層間黏膠維繫的堆疊。

石墨是教科書上的例子。每一片碳片都是蜂巢,鍵長約 0.142 奈米——極為強固。但這些片彼此相隔足足 0.335 奈米,只靠凡得瓦力維繫,排成 ABAB 序列,每隔一片就位移一次。這正是鉛筆能寫字的原因:筆芯的片在微弱的間隙上剪切、脫落成滑溜的薄片,而每一片薄片本身都是堅韌完整的晶體。同樣的兩層式結構——平面內強、平面外弱——出現在六方氮化硼、二硫屬化物、以及每一種二維材料中。

最令人興奮的後果是自由。由於層間鍵微弱且沒有特定方向要求,一片薄片裡的原子不必與下一片的原子對齊,所以你可以撕下單一片、再把完全不同的材料以任意順序重新堆疊——石墨烯、再氮化硼、再二硫屬化物——成為量身設計的凡得瓦異質結構。你甚至可以把一片旋轉一個小小的扭轉角,這會產生摩爾超結構。這是一種截然不同的造晶方式:不是長出一個晶格,而是像洗一副牌那樣組裝薄片。

把鉛筆劃過紙面,你就留下了石墨:強固的碳片保持完整,但它們之間微弱的凡得瓦鍵屈服了,於是整片整片地滑落、抹在紙上。這個日常動作——寫字——展示了凡得瓦堆疊在層與層之間潰敗,而層本身卻毫髮無傷地存活。

片內強鍵、片間弱凡得瓦鍵:薄片可自由劈裂與重新堆疊。

凡得瓦力確實微弱,但並非為零——它們仍把晶體綁得夠牢,使塊狀石墨成為固體,而堆疊順序(石墨中的 ABAB)確實決定了實在的性質。由於層與層不必彼此對位,凡得瓦磊晶得以繞過普通磊晶所要求的嚴格晶格匹配。

又称
vdW stackingvan der Waals bonding between layerslayer stacking凡得瓦鍵結層間堆疊