Small Science:构建二维范德华异质结的自由度及调控策略

自石墨烯发现以来,二维层状材料由于在光学、电学、热学调控器件中展现的独特性能与巨大潜力,受到了研究人员的广泛关注。并且不同二维材料堆叠起来构建的异质结构会产生更多新奇的物理特性,为构筑新型光电器件提供了基础,对于未来光电器件、能量存储等领域有着重要意义。

二维异质结构建技术是其器件测试以及基础性能探索的基石。从制备层面深刻理解二维范德华异质结构建的关键要素(自由度)以及可能的有效调控策略对于二维原子晶体结构的精确制备和高性能功能器件的实现至关重要。南京大学光热调控研究中心最近在Small Science发表综述论文,从二维材料的制备方法出发针对这一构效关系进行了梳理和探讨。本文介绍了常见的传统二维异质结构建技术包括聚合物(PMMA)辅助的湿法转移、PDMS辅助的干法转移等的优势与局限性,讨论了二维异质结构物理性质与器件制备之间的关联,明确了高质量异质结构器件构建的重要性,并进一步通过对二维异质结构构建过程中三个自由度的总结分析:二维材料薄片(构建异质结的基本单元);面外堆叠序构(垂直于薄片方向的界面超晶格组装方式);面内异质结构(层与层之间晶格不匹配、晶轴旋转等引起的面内异质组装方式,如摩尔超晶格等),详细讨论了每个自由度下的主要品质因子以及相关的制备策略。具体如下:

图1 操纵二维材料异质结制备的三个主要自由度,分别是二维材料薄片、面外堆叠序构、面内异质结构。

(1)二维材料薄片(异质结构建基本单元)

二维材料是构建异质结构的第一个自由度,其类似于乐高积木的基本构建块,是用于堆叠二维异质结构的基本材料单元。在过去几年中,大面积的二维材料被广泛应用于各种器件,如透明电极和集成硅电子器件等。同时,为探索二维材料在极端条件下的物理效应,高质量的二维材料是非常重要的。因此,面积和晶体质量是构建单元这一自由度下最关键的两个品质因数。常用的大面积单层二维材料的制备方式主要有化学气相沉积法和金属辅助剥离法;常用的高质量单层二维材料的制备方式有化学气相传输法和金属辅助剥离法。

(2)面外堆叠序构(界面超晶格)

垂直堆叠异质结构是二维异质结构的第二个自由度,它是二维异质结构堆叠中垂直界面结构的变化。为了优化器件的性能,在垂直堆叠过程中,一方面,二维材料堆叠的精确可控十分重要,多层数的垂直堆叠异质结构可大大丰富材料库;另一方面,应尽量减少异质结构中的层间杂质,如褶皱、气泡和污染物等。因此,层数和洁净度是垂直异质结构构建的两个重要品质因子。在诸多制备方法中,湿法转移法是多层异质结构垂直堆叠的有效制备方式;范德瓦耳斯力辅助转移法是高洁净度的层间异质结构的理想制备方式。

(3)面内异质结构(摩尔超晶格)

面内堆叠异质结构是二维异质结构构建的第三个自由度,在这个自由度下,宏观旋转角度的精确控制和微观的层间角度均匀性是两个关键品质因子。常用的精确控制旋转角度的制备方式为“撕裂和堆叠”法。为了得到层间旋转角度均匀的异质结器件,可以使用软材料(如PDMS)作为衬底,有效地释放样品内部的应变,从而产生更均匀的moiré图案。

最后,本文对二维材料异质结构建技术进行了总结和展望。为了优化异质结器件性能,二维材料异质结构建技术是关键,同时在实际操作中,各个自由度下制备方式之间的配合是必备条件。尽管各种各样的方法都可以实现二维材料异质结构构建,但异质结界面的洁净度仍是值得探讨的关键点,因为层间气泡的聚集会在很大程度上影响器件的性能。器件制备方式由面对面方式转变为点对点方式,可以最大限度地减少聚合物的引入,可能会缓解这一问题。其次,器件制备过程中引入的褶皱、气泡等使其产生一定的应变,这也具有潜在的应用价值,可探究在外加应变下,二维材料由于晶体结构和电子能带的改变所带来的电学和光学性质的调制,特别是对于应变敏感的二维材料,如MoS2

总之,通过对构建二维异质结的三种自由度的精确调控,从而实现二维异质结构的精准制备,无论是对二维原子晶体的本征物理效应的研究还是对于未来原子尺度芯片技术的探索均具有重要的意义。

论文信息:

Steering on Degrees of Freedom of 2D Van der Waals Heterostructures

Hui-Zhen Zhang, Wen-Jing Wu, Lin Zhou*, Zhen Wu, Jia Zhu*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100033

链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202100033