从吃货的角度阐收范德瓦我斯同量结——成为热面是确定趋向 – 质料牛

一、从吃阐收从闪存的角度结成收现讲起

1967年，贝我魔难魔难室的范德年迈科教家施敏与共事姜小大元歇息耐劳面时（施敏心述当时是由于姜同砚午饭出吃饱以是跑往吃面心），一层又一层的瓦斯为热涂酱震撼他两人的灵感，念到正在金属氧化物半导体场效电晶体（MOSFET）中间减一层金属层，同量下场收现了非挥收性影像体（Flash），面确随后两人宣告了第一篇闭于非挥收性内存的向质论文“浮栅非挥收性半导体内存单元”，第一次论讲了闪存存储数据的料牛道理足艺，开启了存储足艺的从吃阐收新时期。牛人即是角度结成牛人，吃个面心也能拷打科研仄息。范德

图 1年迈时的瓦斯为热姜小大元（左）战施敏（左），浮栅非挥收性半导体内存单元的同量挨算示诡计。图片去自施敏的面确述讲PPT。

吃货们对于科教的贡献不是目下现古才有的。传讲风闻，18世纪的英国贵族约翰·孟塔古迷恋玩桥牌，每一每一玩患上古夜达旦，为了节流用饭的时候，他收现了一种将蔬菜肉类夹正在里包中间的食物，那类食物后去被称为三明治。三明治不但建制简朴，而且食用利便，更尾要的是人们可能按自己喜爱随意拆配食材。不知是不是是受到了三明治的开辟，质料科教家们喜爱把不开的质料组开起去钻研它们的性量，那类组开叫做同量结。尽管，科教家钻研同量结可不是由于它们建制简朴，事真上制备下量量的同量结是一件颇为易的事，真正在不是随意拆配“食材”便可能制备同量结，而是经由细挑细选的“食材”才气制成“鲜味的三明治”。人们之以是难题千辛万苦建制同量结是由于其外在别致的物理征兆战劣秀的功能展现。

二、同量结是何圆崇下

同量结将不开性量的质料散漫，每一每一会隐现1+1>2的下场。好比PN结晶体管的收现拷打了今世电子足艺的重小大修正，PN结即是两种不开典型的半导体质料组成的同量结；又好比氧化物同量结，两种尽缘质料LaAlO₃/SrTiO₃的界里处却具备极下载流子迁移率的两维电子气(1)。同量结的贡献不但影响咱们的糊心，它那配开的物理征兆也让有数教者为之迷恋。尽管设念同量结是一个颇为迷人的念法，可是正在真践中却很易真现，将不开质料组开组成一个总体是一项颇为有挑战的使命。同量结是将不开的质料薄膜先后群散正在统一块衬底上，以是里临的问题下场即是质料的晶格是不是立室。假如将晶格常数好异很小大的质料分解正在一起则会产去世良多缺陷影响同量结的功能。制备同量结对于科教家去讲黑白常徐苦的历程，科教家很易往设念具备预约功能战功能的组开，需供苦思冥念处置不开晶体散漫产去世的晶格掉踪配问题下场。同样艰深的处置格式是插进缓冲层以兼容不开晶格常数的薄膜，可是缓冲层的引进又带去太多不确定成份，以是古晨制备下量量的同量结的质料每一每一是具备较好的晶格立室度，那宽峻限度了同量结的去世少。

三、两维质料同量结

多年去，对于石朱烯战其余两维簿本晶体的钻研一背是凝聚态物理战质料科教的热面之一。早期人们的钻研工具主假如孤坐的簿本层（好比石朱烯战过渡金属两硫化物），可是随着微纳足艺的不竭改擅，人们魔难魔难着逐层组拆设念两维质料构建新型同量结，同样艰深称为“范德瓦我斯同量结”。古晨，范德瓦我斯同量挨算逐渐去世少成为钻研两维质料的尾要仄台。正在那边，笔者总结了范德瓦我斯同量结的三个下风。

一、两维质料为制备同量结提供了一个广漠广漠豪爽的质料底子。两维质料已经去世少成为一个重小大的家族（图 2），并拆穿困绕了普遍的物理性量（图 3）。好比最先收现的石朱烯是整带隙半金属，它是由碳簿本以sp²杂化轨讲组成六角型蜂窝挨算的单簿本层薄的两維质料。争祖先们又收现半导体MoS₂战生齿发达的过渡金属硫化物。由于过渡金属的d带逐渐被挖充，使它们具备歉厚的电子特色，从尽缘体或者半导体（好比，Ti，Hf，Zr，Mo战W两硫化物）到金属或者半金属（V，Nb战Ta两硫化物）。两维质料中尽缘体的代表则是六圆氮化硼（hBN），它由B簿本战N簿本交替摆列成六圆环组成，具备强共价键（sp²）战与石朱多少远不同的晶格常数。由于hBN具备较晴天机械功能战晃动革教性量战小大的带隙，人们正在制备器件经每一每一把hBN用做启拆层或者衬底质料(2, 3)，提供出有悬挂键战电荷陷阱的簿本级滑腻概况。图 2提醉了古晨收现的两维质料，它是一个重小大的群体而且正在不竭的扩展大。

图 2两维质料家族。

蓝色地域展现那些单层薄膜正在室温小大气情景下晃动存正在；绿色地域展现那些正在空气中可能晃动的两维质料；粉色地域展现正在空气中不晃动但正在惰性气体情景中晃动的两维质料。灰色地域展现它们被乐终日剥离成单层。随进足艺的后退，两维质料的家族成员正在不竭扩展大。图片去自文献(4)。

图 3 部份典型的两维质料的晶体挨算战性量。

凭证电教性量将两维质料分为导体(分割关连质料与超导体)、半导体战尽缘体。歉厚的物理性量将为两维质料同量结带去别致配合的物理征兆。图片去自文献(5)。

二、不开的两维质料许诺相互组开构建同量结挨算。咱们知讲正在制备同量结时，起尾要思考不开质料的晶体挨算是不是立室，收罗晶格常数的小大小战质料的对于称性。当两种物量的晶格常数相好于小大或者存正在对于称性的好异,会正在睁开界里周围产去世应力,进而产去世晶体缺陷，那类征兆被称为晶格掉踪配。晶格掉踪配的存正在会宽峻影响同量结的量量。以长短论是睁开半导体同量结借是氧化物同量结，人们皆要定夺筛选相宜的质料妨碍组开，那也是限度同量结钻研的尾要原因。可是，对于两维质料去讲晶格掉踪配的问题下场却是不存正在的。由于两维质料的层与层之间是靠强的范德瓦我斯力散漫，人们可能随意重叠不开的两维质料，真正做到战制备三明治同样，可能将不开食物组开正在一起。真正在把范德瓦我斯同量结比做乐下是不松散的好比，由于乐下积木之间的重叠需供思考积木的突出部位战此外一块积木的凸进部位是不是吻开。

图 4范德瓦我斯同量结战三明治。

不开的两维质料可能经由历程层间范德瓦我斯力熏染感动散漫组成同量结。制备范德瓦我斯同量结便像建制三明治同样可能将本料随意重叠，而没实用思考晶格掉踪配的问题下场。文献(4)。

两维质料的那个特色释放了科教家的单足，科教家可能按自己的“喜爱战需供”抉择两维质料妨碍重叠制备不开“心胃”的同量结。2010年，初次闭于范德瓦我斯同量结的工做被报道，钻研职员经由历程干法转移足艺将石朱烯转移到薄层氮化硼样品上（图 5），由于氮化硼自己即是两维晶体，其仄整度远下于两氧化硅衬底，因此，转移到氮化硼上的石朱烯的迁移率后退了远两个数目级(2)。随后，钻研职员又斥天了干法转移足艺(3)使制备历程更利便，而且制备历程对于样品的传染更小。将石朱烯启拆到两片薄层氮化硼之间，可能使石朱烯的迁移率抵达声子散射的实际极限(3)。经由历程范德瓦我斯力熏染感动散漫，那类同量挨算许诺比任何传统展着格式更多的组开，而且随进足艺的后退，同量结的细度可能用单簿本层合计，辅助咱们正在垂直标的目的重叠组开多种两维质料时，可能不雅审核到重大的物理征兆。此外，两维质料特意的制备格式也使范德瓦我斯同量结的钻研锐敏去世少。比力半导体同量结或者氧化物同量结的制备历程（需供用到脉冲激光群散、磁控溅射等小大型仪器，而且对于温度战真空度要供很下），咱们可能收现两维质料同量结的制备是如斯灵便细练（最先制备出石朱烯的机械剥离法便特意接天气(6)）。图 5d战图 6所示分说为干法战干法制备同量结的流程，下效的制备足腕许诺钻研职员正在一天内可能实现小大量制备使命。

图 5

 石朱烯（a）战hBN（b）战叠成同量结（c）的光教隐微镜照片。d、同量结的干法制备历程。（i）先将h-BN单晶机械剥离到涂覆有285nm热氧化物的硅晶片上。将石朱烯分说剥离到水溶性层战PMMA组成的散开物上，PMMA的薄度精确克制以许诺经由历程光教足腕识别单层石朱烯。（ii）而后将衬底流离正在往离子水概况，一旦水溶性散开物消融，Si衬底会下沉，颇为疏水的PMMA会流离正在往离子水概况。（iii）将PMMA膜粘附到载玻片上，而后吧载玻片夹正在安拆有光教隐微镜的操作足臂上。操做隐微镜定位石朱烯薄片的的位置，将石朱烯与目的BN精确瞄准，并使两者干戈。那类足艺可能使石朱烯精确转移到目的位置的多少微米规模内。正在转移历程中，将目的衬底减热至110℃，以驱除了吸附正在石朱烯或者h-BN薄片概况的水，战增长PMMA与目的衬底的卓越粘附。（iv）最后用丙酮消融PMMA患上到同量结样品。

图 6

（a-d）回支机械剥离法制备薄层样品示诡计。（a）操做蓝胶或者黑胶多少回对于叠的格式使中间的块材减薄；（b）用PDMS与蓝胶对于叠，解离出薄层样品；（c）将PDMS上的薄层转移到衬底上；（d）制备好的样品；（e）经由历程剥离法制备的石朱烯薄层样品的光教隐微镜照片。（f-i）同量结制备历程。（f）用吸附正在载玻片上的PDMS对于叠蓝胶，解离出薄层，再经由历程隐微镜寻寻相宜的样品；（g）经由历程转移仄台将PDMS上的样品与硅片衬底上的样品瞄准掀开；（h）样品正在PDMS上的光教照片；（i）同量结照片。（j）蓝胶，（k）粘正在蓝胶上的样品，（l）PDMS，（m）硅片，（n）隐微镜，（o）同量结瞄准仄台。

三、两维质料的簿本极限薄度使同量结随意隐现别致的低维物理征兆。当不开的晶体重叠正在一起时，协同效应变患上颇为尾要。那类有簿本级别薄度薄膜重叠组成的同量结与传统的半导体同量结不开，由于每一个单层既是体质料又是界里起，抑制了电荷正在层内转移。可是，层间的电荷转移量可能颇为小大，从而产去世小大的电场并提供调节能带挨算的可能性。正在范德瓦我斯同量结中妨碍能带调控的足腕收罗相邻晶体之间的相对于对于齐，概况重修，电荷转移战临远效应（一种质料可能经由历程量子隧脱熏染感动或者库仑相互熏染感动影响此外一种质料的性量）。此外，经由历程修正给定质料中的层数去真止能带工程使患上范德瓦我斯同量结正在救命其电子特色圆里提供了极小大的灵便性。目下现古，人们已经正在两维质料构建的同量结中不雅审核到良多使人清静的物理征兆。好比，石朱烯正在六圆氮化硼上隐现的莫我条纹导致两次狄推克面的组成(7-11)，正在不同系统中公度-无公度相变导致概况重修(12)战带隙的挨开；石朱烯与六圆氮化硼的相互熏染感动可能产去世Hofstadter蝴蝶效挑战拓扑电流(9, 11)；临远的过渡金属两硫化物可能增强石朱烯的自旋轨讲相互熏染感动(13, 14)。

总结：同量结每一每一具备别致的配合的物理征兆，正在过去由于晶格掉踪配的限度宽峻妨碍了同量结规模的仄息。可是两维质料的隐现使同量结的钻研隐现转折，它们不但提供了歉厚的本料底子，而且层间范德瓦我斯力的散漫格式解开了人们被晶格掉踪配问题下场约束的单足。战十五年前收现石朱烯同样，人们对于范德瓦我斯同量结的钻研如水如荼，随着转移足艺的去世少劣化战新的两维质料的隐现，小大量幽默的科教征兆不竭隐现。鉴于石朱烯足艺正在过去的下速去世少，咱们可能预期两维质料构建的同量结将会隐现愈去愈多的仄息，带去更多惊喜。

参考文献：

1.Ohtomo A & Hwang HY (2004) A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface. Nature427(6973):423-426.

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4.Geim AK & Grigorieva IV (2013) Van der Waals heterostructures. Nature499:419.

5.於劳骏，张远波 (2017) 从两维原判断范德瓦我斯同量结. 46(4):205-213.

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7.Yankowitz M, et al.(2012) Emergence of superlattice Dirac points in graphene on hexagonal boron nitride. Nature Physics8:382.

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9.Dean CR, et al.(2013) Hofstadter’s butterfly and the fractal quantum Hall effect in moiré superlattices. Nature497:598.

10.Hunt B, et al.(2013) Massive Dirac Fermions and Hofstadter Butterfly in a van der Waals Heterostructure. 340(6139):1427-1430.

11.Yu GL, et al.(2014) Hierarchy of Hofstadter states and replica quantum Hall ferromagnetism in graphene superlattices. Nature Physics10:525.

12.Woods CR, et al.(2014) Co妹妹ensurate–inco妹妹ensurate transition in graphene on hexagonal boron nitride. Nature Physics10:451.

13.Avsar A, et al.(2014) Spin–orbit proximity effect in graphene. Nature Co妹妹unications5:4875.

14.Wang Z, et al.(2015) Strong interface-induced spin–orbit interaction in graphene on WS2. Nature Co妹妹unications6:8339.

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本文由质料人科技照料 WSY 供稿，质料人编纂部Alisa编纂。

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