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段鑲鋒/黃昱夫婦Nature：豈止于二維材料，范德華異質結的前世今生！

未央納米人 2019-03-22

第一作者：Yuan Liu

通訊作者：Yu Huang、Xiangfeng Duan

通訊單位：加州大學洛杉磯分校

核心內容：

1. 深度闡述了范德華的基本概念。

2. 展望了范德華異質結的前世今生。

3. 對非二維材料范德華異質結新機遇進行了系統總結。

對現代電子學和光電子學而言，半導體異質結和超晶格所代表的重要意義不言而喻。將具有完全不同的材料集成到一起構建全新的界面，是設計功能器件至關重要的一步，也是材料科學家長期以來的追求。

異質結傳統構建策略的困境

產業界構建異質結的常用策略主要有兩種：化學外延生長法和物理氣相沉積法，其中比較著名的有分子束外延（MBE）和金屬有機化學氣相沉積（MOPVD）。這兩類方法所制備的高品質異質結構，為構建高電子遷移率的晶體管、LED和量子級聯激光器等先進功能器件起到了做出了重要貢獻。

然而，這兩類技術所構建的異質結都依賴于一對一的化學鍵作用，對兩種材料的晶格匹配度要求極高。對于化學外延生長法，晶格失配則容易導致多晶的形成，且界面受應變影響極大；對于物理氣相沉積法，其對材料類型和晶格匹配度要求度相對比較靈活，但是沉積的材料大多是無定形或多晶態，且界面容易受缺陷或化學紊亂所干擾。

傳統成鍵型異質結界面

范德華異質結異軍突起

范德華異質結通過相對較弱的范德華相互作用力物理組裝在一起，不依賴于化學鍵，也不受限于材料的晶格匹配度，為電子和光電器件行業帶來了新的曙光。原則上來說，如果對晶格相似性和加工兼容性沒有特殊要求，這種范德華異集成策略適用于任何材料，尤其是適用于具有不同晶體結構、不同電子特性、不同尺寸和維度的材料的柔性集成。

盡管范德華異質結在二維材料體系已經功成名就，但其在非二維材料領域尚未施展拳腳。有鑒于此，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒和黃昱夫婦在Nature發表展望文章，從范德華的基本概念講起，深度展望了范德華異質結的前世今生，尤其是對非二維材料范德華異質結進行了系統闡述。

vdW異質結界面

強？弱？

范德華相互作用（vdW）是以荷蘭科學家Johannes Diderik van der Waals，通常包括三種不同類型的分子間相互作用：1）偶極-偶極相互作用（Keesom力），偶極誘導偶極相互作用（Debye力）；3）瞬時偶極誘導偶極相互作用。（London力）。早在1924年，范德華相互作用就已經可以進行簡單的建模，并使用Lennard-Jones勢能進行近似，Lennard-Jones勢能在兩個相互作用的原子或分子之間的中心到中心距離（vdW距離）具有最低電位。

vdW相互作用強度通常為0.1-10 kJ mol^-1，比離子鍵或共價鍵（約100-1,000kJ mol^-1）小約2-3個數量級。盡管相互作用如此之弱，但在緊密接觸的界面內的vdW力實際上遠大于典型集成結構的重力，并且足以支撐體相材料抵抗重力運動。不夠，由于材料之間的表面粗糙度有限，兩個剛性3D塊狀材料之間的大多數界面都難以表現出緊密接觸時的最佳vdW相互作用。因此，柔性低維材料或薄膜通常更有可能達到vdW距離并實現最佳vdW相互作用，更適合于范德華集成。

vdW基本概念

基于vdW異質結構建的高性能器件

豈止于二維材料

早在21世紀初，就有人通過摩擦或沖壓等簡單的物理組裝方法實現vdW集成，通過碳納米管和半導體納米線等一維材料構建納米級電子和光子器件。這些開創性工作展示了vdW異質結克服傳統外延生長的獨特優勢。

隨著石墨烯等多種二維原子晶體與表面懸空鍵的分離，科學家可以創建具有原子清潔的高品質界面的各種范德華異質結構，為基礎研究提供了廣闊的平臺。物理科學家和工程師再也不需要昂貴的設備和冗長的開發過程，就能得到高品質的異質結構。

除了二維材料之外，二維原子層與其他維度的材料（如0D，1D或3D塊體材料）之間的vdW集成，對于將二維材料集成到功能器件中也至關重要。譬如，在石墨烯上進行等離子體納米結構（Au）或量子點（PbS）的無損vdW集成，使得石墨烯光電探測器光電流得到增強；在石墨烯上的1.5維（稱為納米帶）Al₂O₃的vdW集成為高遷移率頂柵式石墨烯晶體管開辟了無鍵合和無損傷的介電集成路徑。類似的方法也被用于將納米線柵極與石墨烯納米帶結合以制備高性能石墨烯納米帶晶體管。此外，在2D材料上集成金屬氧化物核殼結構納米線或1D金屬/氧化物可以實現更高效的石墨烯和MoS₂晶體管。