研究背景
隨著現代科技的不斷發展，人們對于構建更高效、更靈活的量子信息設備的迫切需求日益增長。其中，量子點（Quantum Dots, QDs）因其具有固有量子約束效應和尖銳的離散能級而備受關注。這些微小的半導體結構在非線性光學、半導體激光器、光檢測以及量子計算等領域展現了潛在的廣泛應用前景。然而，要充分發揮QDs在這些應用中的作用，需要解決諸如組成設計、形態控制和界面特性等方面的挑戰。
在之前的研究中，科學家們已經提出了各種制備QDs的方法。其中，膠體溶液法被證明是一種成功的途徑，能夠制備具有高度可控形態的QDs。然而，由于可溶性前體的限制，這種方法只能應用于少數IV–VI和過渡金屬二硫化物等組分的QDs制備。另一方面，自組裝外延方法也被用來生長高質量的III–V QDs，但是晶格失配的限制使得這種方法無法應用于更多種類的QDs。因此，現有的制備方法在組分靈活性、形態設計以及界面純度方面存在著一定的局限性。
為了解決這些問題，中國科學院半導體研究所、973首席科學家，新世紀百千萬人才工程國家級人選，國家杰出青年科學基金獲得者劉峰奇教授、翟慎強副研究員、魏鐘鳴研究員以及中國人民大學物理系劉燦研究員攜手提出了一種全新的方法，利用van der Waals（vdW）表面作為QDs的外延基底。這種方法的關鍵在于利用vdW表面與QDs之間的相互作用來克服晶格失配的限制，從而擴展了QD組成的多樣性。與此同時，利用二維vdW材料的低表面能，使得QDs能夠獲得最佳的形態，從而提高了器件的性能和均勻性。此外，在超高真空分子束外延系統中，確保了QDs與vdW基底之間的固有界面，進一步提升了界面的純度和效率。以上成果在“Nature Synthesis”期刊上發表了題為“Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces”的最新論文。因此，這項研究成功地實現了具有可定制組成、可控形態和固有界面的QDs的通用合成，為QDs在光檢測等領域的應用提供了新的可能性。
科學亮點
1) 本實驗首次采用van der Waals (vdW) 外延策略，成功制備了具有可定制組成、可控形態和固有界面的量子點(QDs)。這一方法的關鍵在于利用二維層狀材料與QDs之間的vdW相互作用來克服晶格失配的限制，從而擴展了QDs的組成多樣性。
2) 實驗結果表明，通過vdW外延策略制備的QDs具有更多固有特征，包括離散的能級、可調的電子結構和穩定的光子?電子相互作用。此外，由于vdW表面的低表面能，QDs的形態易于控制，能夠實現具有大長徑比的理想形態。
3) 在超高真空分子束外延 (MBE) 系統中，實驗確保了QDs與vdW基底之間的固有界面，促進了有效的界面耦合和額外的電荷轉移。這為QDs在光電子應用中的進一步發展提供了基礎，特別是在光檢測領域，實現了光響應范圍的增寬。
圖文解讀
圖1：在MoS2表面上通過vdW外延生長InSb QDs。
圖2.通過理論模擬展示InSb QDs在MoS2表面上vdW外延生長的機理。
圖3. 在FL mica片上生長的InAs QDs的晶圓級制。
圖 4：在不同vdW基底（hBN、FL mica、MoS2和石墨烯）上生長的III-V和IV-VI QDs的通用制備過程。
圖5：InSb QDs/MoS2異質結構的光探測性能。
科學啟迪
本文探索了一種全新的方法來制備量子點（QDs），即利用二維層狀材料的vdW表面作為生長基底。通過這種方法，我們不再受限于傳統外延生長方法中晶格匹配的限制，可以實現對QDs組成的廣泛控制。這一策略的關鍵優勢在于在QD與基底之間形成的適度和可調耦合，使得QDs能夠擺脫相干外延和應力的影響，同時避免了外部化學污染的問題。這為制備具有優異性能的QDs提供了新思路。此外，本文還指出了需要進一步發展的一些互補技術，如優化QD的形態和構建多層異質結構，以進一步提高QD的性能和功能。這些技術的發展將為實現更廣泛的QD應用提供重要支持。
更進一步地，在理論上，我們可以在任何vdW表面上生長非層狀穩定相，進一步擴展了這一方法的適用范圍。QDs與二維層狀材料的結合不僅形成了固有的vdW界面，還產生了有效的電荷轉移通道，為研究混合維異質結構提供了新的平臺。這將有助于拓展低維量子系統的應用領域，推動量子信息、光電子等領域的發展。
原文詳情：
Xin, K., Li, L., Zhou, Z. et al. Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00562-0
