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今年已發表7篇Nature，范德華異質結到底有多重要！

納米人納米人 2019-05-10

范德華相互作用（vdW）是以荷蘭科學家Johannes Diderik van der Waals命名，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）。隨著石墨烯等無懸掛鍵二維原子晶體的不斷發展，不同二維原子層可以借助弱范德華力按照特定順序堆疊在一起，構建具有原子級平整界面的各種異質結構，這種異質結構被稱為范德華異質結構。

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，與傳統的半導體異質結相比，范德華異質結不依賴于化學鍵，也不受限于材料的晶格匹配度。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。

對現代電子學和光電子學而言，半導體異質結和超晶格為發展新型電子、光電器件提供了廣闊的的研究平臺。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不懈追求。

范德華集成的各種構筑單元

2019年以來，范德華異質結取得諸多重要突破，值得一提的是，2月25日，Nature雜志連續刊發3篇研究長文，同步報道了美國多個課題組首次、獨立、從實驗上觀測到二維異質結中存在莫爾激子態的研究成果，為二維異質結大規模進入納米光子學和量子信息的世界奠定了基礎。

下面，我們以2019年以來發表在Nature的7篇最新成果為例，進行簡要解讀，希望對相關研究人員有所啟發。

2019年2月25日，美國德州大學奧斯丁分校Xiaoqin Li團隊和美國阿貢國家實驗室Fengcheng Wu團隊在六方hBN包裹的以微小角度發生旋轉的MoSe₂/WSe₂雙層二維異質結中，研究人員觀測到多個層間激子共振現象。他們將這些共振歸因于激子基態和受限于莫爾勢的激發態，重組動力學以及這些層間激子共振對扭轉角和溫度的依賴性可驗證以上機理。

參考文獻：

KhaTran,Galan Moody, Fengcheng Wu, Xiaoqin Li et al. Evidence for moiré excitonsin van der Waals heterostructures. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0975-z

2019年2月25日，美國華盛頓大學XiaodongXu團隊和香港大學Wang Yao團隊在扭曲的MoSe₂/WSe₂雙層二維異質結中，研究人員成功捕獲莫爾勢的層間谷激子。在低溫下，研究人員觀察到光致發光能量接近層間自由激子能量，但線寬窄一百倍以上（約100 meV）。對于給定的扭轉角，發射器表現出相同螺旋性的強圓極化，這表明俘獲勢保持三重旋轉對稱性。結合對功率和激發能量的特征依賴性，研究人員認為觀察到的效應來源于層間激子被捕獲在光滑的莫爾勢中。

參考文獻：
KyleL. Seyler, Pasqual Rivera,Wang Yao, Xiaodong Xu et al. Signatures of moiré-trapped valley excitons in MoSe2/WSe2 heterobilayers. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0957-1#auth-8

2019年2月25日，美國加州大學伯克利分校Feng Wang團隊在扭曲的WSe₂ / WS₂二維異質結構中觀測到莫爾超晶格激子態。這些莫爾激子態表現為出現在吸收光譜中原始WSe₂ A激子共振周圍的多個峰，并且它們表現出與WSe₂單層中的A激子和具有大扭轉角的WSe₂/WS₂異質結構不同的柵極依賴性。

參考文獻：

ChenhaoJin, Emma C. Regan, Feng Wang et al. Observationof moiréexcitons in WSe₂/WS₂ heterostructure superlattices.Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0976-y

2019年3月6日，英國謝菲爾德大學Alexander I. Tartakovskii團隊和曼徹斯特大學VladimirI. Fal′ko團隊合作，利用非共格的單層MoSe₂/WS₂半導體范德華異質結，證明了激子帶可雜化，進而導致莫爾超晶格效應的共振加強。作者選擇MoSe₂/WS₂體系是因為其導帶邊緣的近簡并性可以促進層內和層間激子的雜化。研究中，雜化通過顯著的激子能移是層間轉角的周期性函數這一現象顯示出來，而激子能移的周期性是因為：雜化激子是由MoSe₂中空穴產生的，且MoSe₂與相鄰單層中扭轉依賴的電子態疊加存在相互作用。對于單層結構近乎共格的異質結，電子態的共振混合使得異質結的幾何莫爾條紋對雜化激子的色散譜和光譜具有明顯影響。在基于范德華異質結的半導體器件領域內，該研究豐富了能帶工程的策略。

參考文獻：

EvgenyM. Alexeev, Vladimir I. Fal’ko, Alexander I. Tartakovskii et al. Resonantlyhybridized excitons in moiré superlattices in van der Waals heterostructures. Nature2019，567, 81–86.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-0986-9

2019年3月27日，Rutgers University的Manish Chhowalla團隊在單層MoS2等多種二維半導體和3D金屬電極之間實現了超純范德華異質界面，并基于此實現了高遷移率的場效應晶體管，為二維半導體實現超薄電子器件帶來了新的動力。研究人員以金納米電極包覆的10 nm厚的銦金屬與單分子層MoS₂為對象，利用掃描透射電子顯微鏡成像證明了金屬銦和二硫化鉬間的范德華相互作用。單層MoS₂的銦/金電極的接觸電阻為3000±300歐姆，多層MoS₂為800±200歐姆。這些數值是在三維金屬電極與MoS₂界面上觀察到的最低值之一，使高性能場效應晶體管的遷移率高達到167±20 cm² V^-1 s^-1。該策略具有高度普適性，研究人員在NbS₂、WS₂、WSe₂等二維材料上也實現了低阻抗接觸界面。

參考文獻：

YanWang, Manish Chhowalla et al. Van derWaals contacts between three-dimensional metalsand two-dimensionalsemiconductors. Nature 2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1052-3

2019年4月22日，美國內布拉斯加大學林肯分校的Peter Sutter和Eli Sutter團隊發展了一種測層狀晶體扭曲的范德華手性納米線的制備方法，將層間扭曲實現莫爾超晶格的途徑從二維平面拓展到一維納米線。

與傳統二維范德華結構相比，這種一維范德華結構的不同之處在于：

1）手性納米線通過與軸向螺旋位錯相關的Eshelby扭曲自發地產生層間莫爾條紋；

2）通過調節VLS催化劑的尺寸可以改變納米線直徑，從而調控軸向旋轉和扭曲角度。

3）莫爾條紋沿著螺旋路徑而不是擴展的平面界面發生系統地變化。

參考文獻：

Peter Sutter, Shawn Wimer, Eli Sutter. Chiral twisted van der Waals nanowires. Nature2019.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1147-x

2019年3月20日，加州大學洛杉磯分校段鑲鋒和黃昱教授在Nature發表展望文章，對二維原子層與其他維度的材料（如0D，1D或3D塊體材料）之間的范德華集成給予高度評價和期望。

文章指出，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。