纳米人-段镶锋/黄昱夫妇Nature：岂止于二维材料，范德华异质结的前世今生！

段镶锋/黄昱夫妇Nature：岂止于二维材料，范德华异质结的前世今生！

未央纳米人 2019-03-22

第一作者：Yuan Liu

通讯作者：Yu Huang、Xiangfeng Duan

通讯单位：加州大学洛杉矶分校

核心内容：

1. 深度阐述了范德华的基本概念。

2. 展望了范德华异质结的前世今生。

3. 对非二维材料范德华异质结新机遇进行了系统总结。

对现代电子学和光电子学而言，半导体异质结和超晶格所代表的重要意义不言而喻。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追求。

异质结传统构建策略的困境

产业界构建异质结的常用策略主要有两种：化学外延生长法和物理气相沉积法，其中比较著名的有分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOPVD）。这两类方法所制备的高品质异质结构，为构建高电子迁移率的晶体管、LED和量子级联激光器等先进功能器件起到了做出了重要贡献。

然而，这两类技术所构建的异质结都依赖于一对一的化学键作用，对两种材料的晶格匹配度要求极高。对于化学外延生长法，晶格失配则容易导致多晶的形成，且界面受应变影响极大；对于物理气相沉积法，其对材料类型和晶格匹配度要求度相对比较灵活，但是沉积的材料大多是无定形或多晶态，且界面容易受缺陷或化学紊乱所干扰。

传统成键型异质结界面

范德华异质结异军突起

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，不依赖于化学键，也不受限于材料的晶格匹配度，为电子和光电器件行业带来了新的曙光。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。

尽管范德华异质结在二维材料体系已经功成名就，但其在非二维材料领域尚未施展拳脚。有鉴于此，加州大学洛杉矶分校段镶锋和黄昱夫妇在Nature发表展望文章，从范德华的基本概念讲起，深度展望了范德华异质结的前世今生，尤其是对非二维材料范德华异质结进行了系统阐述。

vdW异质结界面

强？弱？

范德华相互作用（vdW）是以荷兰科学家Johannes Diderik van der Waals，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）。早在1924年，范德华相互作用就已经可以进行简单的建模，并使用Lennard-Jones势能进行近似，Lennard-Jones势能在两个相互作用的原子或分子之间的中心到中心距离（vdW距离）具有最低电位。

vdW相互作用强度通常为0.1-10 kJ mol^-1，比离子键或共价键（约100-1,000kJ mol^-1）小约2-3个数量级。尽管相互作用如此之弱，但在紧密接触的界面内的vdW力实际上远大于典型集成结构的重力，并且足以支撑体相材料抵抗重力运动。不够，由于材料之间的表面粗糙度有限，两个刚性3D块状材料之间的大多数界面都难以表现出紧密接触时的最佳vdW相互作用。因此，柔性低维材料或薄膜通常更有可能达到vdW距离并实现最佳vdW相互作用，更适合于范德华集成。

vdW基本概念

基于vdW异质结构建的高性能器件

岂止于二维材料

早在21世纪初，就有人通过摩擦或冲压等简单的物理组装方法实现vdW集成，通过碳纳米管和半导体纳米线等一维材料构建纳米级电子和光子器件。这些开创性工作展示了vdW异质结克服传统外延生长的独特优势。

随着石墨烯等多种二维原子晶体与表面悬空键的分离，科学家可以创建具有原子清洁的高品质界面的各种范德华异质结构，为基础研究提供了广阔的平台。物理科学家和工程师再也不需要昂贵的设备和冗长的开发过程，就能得到高品质的异质结构。

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。