作者:段镶锋等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/9/30 17:07:19
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异质结界面与范德华超晶格

半导体工业技术进步与当代人工作生活水平提高息息相关。该技术的肯綮是与计算通讯直接相关的三极管、固体照明和光伏相关的二极管器件等等关键器件性能稳定提升。而经过复杂设计的异质结和超晶格对半导体器件的正常工作运转起到了决定性作用。基于此,通过可设计的材料结构和化学组成来实现电子能带结构可调的异质结与超晶格是材料科学界长久以来持续关注的关键科学问题。

最近段镶锋教授研究团队(任华英,万众,段镶锋)在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)的观点文章“van der Waals superlattices”中介绍和总结了一类新的超晶格材料——范德华超晶格。不同于传统外延生长得到的需以共价键结合的超晶格材料,以范德华力相互结合的层状材料通过与其他材料进行周期性复合可以形成没有位错影响的范德华超晶格。自石墨烯被发现以来,原子尺度的二维材料家族得到了充分的发展,这类材料的基本物化性质十分丰富,单从电学性质来说,就可以横跨从电介质到超导的区间。通过合理地选择二维材料及其他构成超晶格的功能性的原子、分子、粒子、二维材料,即可实现这类超晶格材料结构上的及其电学性质的广泛调控,从而可在技术上切实解决当前器件面临的一系列问题。另一方面,在科学上,这种具有诸多新颖物化性质的范德华超晶格材料更是探索发现新的物理现象的切入点。

虽然范德华超晶格具有清晰明确的重大应用前景,以及诸多需要探求的基础物理现象,高质量、结构可调、功能化的范德华超晶格的制备仍然是目前技术的瓶颈。近十年来,范德华超晶格大部分都是由不同的二维材料本身的周期性堆叠所得,这种堆叠可以通过逐层转移或者化学气相沉积的方法实现,前者效率低下并且具有引入污染物的风险,后者则需要高温环境,生长时间缓慢,且较难实现单层的周期性生长。近日,利用毛细作用力的自卷曲效应制备范德华超晶格的方法被建立起来,通过这种方法可以成功实现两种或三种层状材料周期性交叠的超晶格以及零维、一维与二维材料复合的超晶格的制备。除此之外,该领域其他制备技术,诸如电化学插层、化学插层、剥离再组装、离子交换等针对范德华超晶格制备的一系列方法近年来也有了长足的发展和提升。

作为具有丰富性能,结构可设计性强的新的材料体系,范德华超晶格有望使原子结构、能带、层间耦合、手性、自旋选择性等多方位的调控付诸实现,为复杂的电子自旋相互作用的探索打开新的大门,进而推动电化学、电磁、铁电、光电、超导等方向的基础研究的发展。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab166

 
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