纳米人-今年已发表7篇Nature，范德华异质结到底有多重要！

今年已发表7篇Nature，范德华异质结到底有多重要！

纳米人纳米人 2019-05-10

范德华相互作用（vdW）是以荷兰科学家Johannes Diderik van der Waals命名，通常包括三种不同类型的分子间相互作用：1）偶极-偶极相互作用（Keesom力），偶极诱导偶极相互作用（Debye力）；3）瞬时偶极诱导偶极相互作用，（London力）。随着石墨烯等无悬挂键二维原子晶体的不断发展，不同二维原子层可以借助弱范德华力按照特定顺序堆叠在一起，构建具有原子级平整界面的各种异质结构，这种异质结构被称为范德华异质结构。

范德华异质结通过相对较弱的范德华相互作用力物理组装在一起，与传统的半导体异质结相比，范德华异质结不依赖于化学键，也不受限于材料的晶格匹配度。原则上来说，如果对晶格相似性和加工兼容性没有特殊要求，这种范德华异集成策略适用于任何材料，尤其是适用于具有不同晶体结构、不同电子特性、不同尺寸和维度的材料的柔性集成。

对现代电子学和光电子学而言，半导体异质结和超晶格为发展新型电子、光电器件提供了广阔的的研究平台。将具有完全不同的材料集成到一起构建全新的界面，是设计功能器件至关重要的一步，也是材料科学家长期以来的不懈追求。

范德华集成的各种构筑单元

2019年以来，范德华异质结取得诸多重要突破，值得一提的是，2月25日，Nature杂志连续刊发3篇研究长文，同步报道了美国多个课题组首次、独立、从实验上观测到二维异质结中存在莫尔激子态的研究成果，为二维异质结大规模进入纳米光子学和量子信息的世界奠定了基础。

下面，我们以2019年以来发表在Nature的7篇最新成果为例，进行简要解读，希望对相关研究人员有所启发。

2019年2月25日，美国德州大学奥斯丁分校Xiaoqin Li团队和美国阿贡国家实验室Fengcheng Wu团队在六方hBN包裹的以微小角度发生旋转的MoSe₂/WSe₂双层二维异质结中，研究人员观测到多个层间激子共振现象。他们将这些共振归因于激子基态和受限于莫尔势的激发态，重组动力学以及这些层间激子共振对扭转角和温度的依赖性可验证以上机理。

参考文献：

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，美国华盛顿大学XiaodongXu团队和香港大学Wang Yao团队在扭曲的MoSe₂/WSe₂双层二维异质结中，研究人员成功捕获莫尔势的层间谷激子。在低温下，研究人员观察到光致发光能量接近层间自由激子能量，但线宽窄一百倍以上（约100 meV）。对于给定的扭转角，发射器表现出相同螺旋性的强圆极化，这表明俘获势保持三重旋转对称性。结合对功率和激发能量的特征依赖性，研究人员认为观察到的效应来源于层间激子被捕获在光滑的莫尔势中。

参考文献：
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，美国加州大学伯克利分校Feng Wang团队在扭曲的WSe₂ / WS₂二维异质结构中观测到莫尔超晶格激子态。这些莫尔激子态表现为出现在吸收光谱中原始WSe₂ A激子共振周围的多个峰，并且它们表现出与WSe₂单层中的A激子和具有大扭转角的WSe₂/WS₂异质结构不同的栅极依赖性。

参考文献：

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，英国谢菲尔德大学Alexander I. Tartakovskii团队和曼彻斯特大学VladimirI. Fal´ko团队合作，利用非共格的单层MoSe₂/WS₂半导体范德华异质结，证明了激子带可杂化，进而导致莫尔超晶格效应的共振加强。作者选择MoSe₂/WS₂体系是因为其导带边缘的近简并性可以促进层内和层间激子的杂化。研究中，杂化通过显著的激子能移是层间转角的周期性函数这一现象显示出来，而激子能移的周期性是因为：杂化激子是由MoSe₂中空穴产生的，且MoSe₂与相邻单层中扭转依赖的电子态叠加存在相互作用。对于单层结构近乎共格的异质结，电子态的共振混合使得异质结的几何莫尔条纹对杂化激子的色散谱和光谱具有明显影响。在基于范德华异质结的半导体器件领域内，该研究丰富了能带工程的策略。

参考文献：

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团队在单层MoS2等多种二维半导体和3D金属电极之间实现了超纯范德华异质界面，并基于此实现了高迁移率的场效应晶体管，为二维半导体实现超薄电子器件带来了新的动力。研究人员以金纳米电极包覆的10 nm厚的铟金属与单分子层MoS₂为对象，利用扫描透射电子显微镜成像证明了金属铟和二硫化钼间的范德华相互作用。单层MoS₂的铟/金电极的接触电阻为3000±300欧姆，多层MoS₂为800±200欧姆。这些数值是在三维金属电极与MoS₂界面上观察到的最低值之一，使高性能场效应晶体管的迁移率高达到167±20 cm² V^-1 s^-1。该策略具有高度普适性，研究人员在NbS₂、WS₂、WSe₂等二维材料上也实现了低阻抗接触界面。

参考文献：

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，美国内布拉斯加大学林肯分校的Peter Sutter和Eli Sutter团队发展了一种测层状晶体扭曲的范德华手性纳米线的制备方法，将层间扭曲实现莫尔超晶格的途径从二维平面拓展到一维纳米线。

与传统二维范德华结构相比，这种一维范德华结构的不同之处在于：

1）手性纳米线通过与轴向螺旋位错相关的Eshelby扭曲自发地产生层间莫尔条纹；

2）通过调节VLS催化剂的尺寸可以改变纳米线直径，从而调控轴向旋转和扭曲角度。

3）莫尔条纹沿着螺旋路径而不是扩展的平面界面发生系统地变化。

参考文献：

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，加州大学洛杉矶分校段镶锋和黄昱教授在Nature发表展望文章，对二维原子层与其他维度的材料（如0D，1D或3D块体材料）之间的范德华集成给予高度评价和期望。

文章指出，除了二维材料之外，二维原子层与其他维度的材料（如0D，1D或3D块体材料）之间的vdW集成，对于将二维材料集成到功能器件中也至关重要。譬如，在石墨烯上进行等离子体纳米结构（Au）或量子点（PbS）的无损vdW集成，使得石墨烯光电探测器光电流得到增强；在石墨烯上的1.5维（称为纳米带）Al₂O₃的vdW集成为高迁移率顶栅式石墨烯晶体管开辟了无键合和无损伤的介电集成路径。类似的方法也被用于将纳米线栅极与石墨烯纳米带结合以制备高性能石墨烯纳米带晶体管。此外，在2D材料上集成金属氧化物核壳结构纳米线或1D金属/氧化物可以实现更高效的石墨烯和MoS₂晶体管。