InfoMat:晶圆级垂直范德华异质结

由于具有独特的结构类型、丰富的材料体系、优越的光电性能以及可控的堆叠方式等特征,范德华异质结在过去的十年中引起了来自全球科学家的广泛关注与研究。垂直范德华异质结是指将二维(2D)材料在垂直方向上进行堆叠,不同种类的二维材料之间通过范德华作用进行连接。二维材料作为范德华异质结的组成单元,其层间较弱的范德华作用力以及原子级平整的表面使构建多种不同类型的垂直异质结成为可能,从而为多种新型功能纳米器件提供材料基础。基于此,谐振隧穿场效应晶体管、垂直p-n结等一系列基于范德华异质结的先进功能器件被研发出来,并表现出令人欣喜的光学、电学性能。除此之外,由于垂直范德华异质结的层内量子限域效应以及显著的层间协同作用,在其结构内部出现了众多新奇的物理化学现象,例如维格纳晶化,摩尔纹以及强烈的轨道自旋耦合等。

实现器件的集成化与规模化是将新型材料投入实际应用的前提。近年来,得益于纳米尺度材料合成技术的进步与微观尺度表征手段的发展,晶圆级别尺寸的范德华异质结被报道合成。同时,以此作为材料体系基础,制备出了一系列基于垂直范德华异质结的阵列化光电子器件。这展现出垂直范德华异质结具有空前的应用潜力,也为以二维材料投入实际应用带来前所未有的机遇。因此,对目前晶圆级别范德华异质结的研究进展进行分析与总结对于进行纳米材料学术研究与实现微纳器件实际运用等方面都具有突出意义。

近日,华中科技大学翟天佑教授团队对基于晶圆级别的垂直范德华异质结研究进展进行了综述。首先系统的阐述了现存的晶圆级别范德华异质结的制备方法,并且根据不同的制备原理,将其分为机械堆叠、相继沉积、同步演化以及晶种生长四种合成策略。同时对每种合成方法的优缺点进行了分析,指明其主要适用范围。随后总结了晶圆级范德华异质结最具潜力的应用领域,包括大尺寸的光电子器件、规模化逻辑电路、柔性器件。最后讨论了目前范德华异质结在材料合成与器件制备方面所面临的主要挑战,并提出了一些可能的解决策略。本文有望为范德华异质结的制备与应用方面提供一些崭新的思考,并进一步促进其发展与应用。该工作在InfoMat上以题为”Wafer-Scale Vertical Van der Waals Heterostructures”在线发表。(DOI:10.1002/inf2.12164)