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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
近年來，2D范德華（vdW）異質結構被認為是探索二維物理和器件應用的最佳途徑之一。多層vdW異質結構通常在實驗室中由超導體、半導體、鐵磁體和絕緣體的基本構件組裝而成，具有十分優異的靈活性，可以實現現有材料無法具備的功能結構的設計和創建。在堆疊組件中，vdW超導異質結構（vdWSH）通過堆疊2D超導體與其他材料制成的，受到了特別關注。2D vdWSH的高質量制備為研究超導鄰近效應、Josephson結、超導二極管和基于馬約拉納的量子計算提供了理想的研究平臺。
然而，2D vdW的制造仍存在以下問題：
1、目前的機械組裝方式很難產生完美的vdW界面
目前，機械組裝方法被用于實現特定材料和特定堆疊順序制造vdWSH，但這種機械組裝的堆疊可能會導致vdW界面不完美、堆疊困難以及有效vdWSH的產量低等諸多問題。
2、vdW外延法很難實現vdWSHs的大規模制造
vdW外延法可用于生長vdWSHs，但由于環境敏感性和2D超導體缺乏結構穩定性，很難實現vdWSHs的大規模制造。因此，迫切需要一種將2D超導體與可控厚度相結合的晶圓級vdWSH生長策略。
有鑒于此，南京大學高力波教授、徐潔及南方科技大學林君浩等人報告了一種高低溫策略，實現了晶圓級可控生長多層范德華超導異質結構 (vdWSH)薄膜堆疊。根據該策略，vdWSH中二維超導體的層數可以精確控制，作者成功生長了27個雙塊、15個三塊、5個四塊和3個五塊的vdWSH薄膜（其中一個塊代表一種二維材料）。通過形態、光譜和原子尺度結構分析，揭示了所生成的vdWSH具有大規模平行、干凈和原子級銳利的vdW界面，相鄰層之間的幾乎不存在污染。完整的vdW界面能夠在厘米尺度上實現鄰近誘導的超導電性和超導Josephson結。本工作制造多層vdWSH的工藝可以輕松推廣到其他2D材料的制備，進而加速下一代功能設備和應用的設計。
技術方案：
1、展示了vdWSHG堆疊的高低溫生長策略
作者展示了使用高低溫策略對vdWSH薄膜進行兩步氣相沉積生長的多個循環過程，重點關注NbSe2作為二維超導體演示堆疊生長vdWSH薄膜。
2、證實了高低溫生長策略的通用性并進行了薄膜表征
作者表明該堆疊生長策略也可用于石墨烯、六方氮化硼和其他二維材料，演示了該策略在晶圓尺度上可控生成多層多塊vdWSH薄膜，并證實了2D材料時均勻且完整的。
3、詳細表征了vdWSH薄膜晶體結構
作者通過STM觀察了多塊vdWSH薄膜的原子結構，表明堆疊生長方法可以對每個塊進行良好的層和成分控制，并揭示了均勻的堆疊結構及高晶體質量。
4、證實了vdWSH的層間耦合
作者通過構建不同的vdWSH，在晶圓尺度上測量了超導鄰近效應和Josephson結行為，證實了堆疊生長的vdWSH薄膜的層間耦合。
技術優勢：
1、提出了實現晶圓級wdWSH堆疊的可控生長策略
作者提出了一種用于可控生長晶圓級多塊vdWSH薄膜的高低溫策略，其中“高”和“低”是指不同2D材料所需的各種生長溫度。該策略基于過高的溫度會導致預生長的底部2D材料分解、蝕刻或合金化。
2、開發了多周期兩步氣相沉積工藝
作者開發了一種多周期兩步氣相沉積工藝，可以在晶圓尺度上生長特定的vdWSH薄膜。2D晶體薄膜的高晶體質量、高環境穩定性和高熱穩定性使得堆疊生長的vdWSH薄膜的制造具有干凈的界面和完整的超導性能。
技術細節
高低溫生長策略
作者展示了使用高低溫策略對vdWSH薄膜進行兩步氣相沉積生長的多個循環過程，并總結了常見2D材料的優化生長溫度。本工作重點關注NbSe2作為二維超導體，并以WS2/MoS2/NbSe2/PtTe2為例來演示堆疊生長vdWSH薄膜的高低溫策略。
圖 由高至低溫策略誘導的多塊vdWSH堆疊生長
高低溫生長策略的通用性及薄膜表征
作者通過MoS2薄膜上生長NbSe2表明堆疊生長塊的晶體質量不受底層塊材料選擇的影響。AFM圖像和高度剖面證明了薄膜的階梯邊緣的均勻形態。進一步研究結果表明，這種堆疊生長也可用于石墨烯、六方氮化硼和其他二維材料。通過對比堆疊生長和機械組裝的WS2/MoS2 PL測量結果，表明堆疊生長的薄膜保留了每種材料的半導體特性。該策略實現了在晶圓尺度上27個雙塊、15個三塊和5個四塊vdWSH薄膜的可控生長。AFM 圖像和拉曼光譜表明，每個塊中的2D材料在分離后是均勻且完整的，堆疊生長的vdWSH薄膜具有較高的空間均勻性，XPS分析證實了薄膜的化學成分，每個塊中TMDC的層數可以通過預沉積金屬膜的厚度來精確控制。
圖 高低溫策略的通用性和晶圓級vdWSH薄膜的均勻性
晶體結構表征
進一步地，作者通過STM觀察了多塊vdWSH薄膜的詳細原子結構，展示了長度超過75nm的藍寶石上的vdWSH薄膜的橫截面，且每層的vdW間隙都保持良好。原子STEM圖像顯示，每個塊中的層數受到均勻控制，并且在多循環生長過程后保留了原有的晶體結構。EDS圖揭示了空間分辨元素分布，異質結構界面上的成分發生了突變，表明堆疊生長方法可以對每個塊進行良好的層和成分控制，并揭示了均勻的堆疊結構。通過面內STEM來研究 vdWSH的晶體結構，表明了晶體質量很高。
圖 vdWSH薄膜的晶體結構
層間耦合
最后，作者在晶圓尺度上測量了超導鄰近效應和Josephson結行為。首先準備了一系列4L NbSe2/nL PtTe2 vdWSH用于電氣測量，隨著PtTe2薄膜層數的增加，超導性逐漸受到抑制，Tc值也下降。在 NbSe2/PtTe2 vdWSH中觀察到的超導抑制主要歸因于標準超導鄰近效應。接著，通過堆疊生長來創建 4L NbSe2/2L MoSe2/4L NbSe2的三塊薄膜，并通過四探針電流-電壓 (I-V)特性測量和I-V特性的B∥依賴性證實了高相干約瑟夫森耦合。
圖 堆疊生長的vdWSH薄膜的層間耦合
總之，本文報道了一種可以實現晶圓級堆疊生長各種多塊 vdWSH的通用高低溫策略。該策略可以成功地將高結晶二維超導體堆疊vdWSH 中，且厚度可以精確控制。原子尺度觀察及特定物理性質證實了vdWSH中的所有2D材料都具有良好的完整度和干凈的vdW間隙。晶圓級鄰近感應超導和Josephson結的實現表明，堆疊生長的vdWSH薄膜具有優異的晶體質量和塊之間強大的層間耦合。
參考文獻：
Zhou, Z., Hou, F., Huang, X. et al. Stack growth of wafer-scale van der Waals superconductor heterostructures. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06404-x
