Progress in Materials Science：基于一维原子晶体的范德华异质结构

第一作者：秦敬凯

通讯作者：徐成彦，柴扬

单位： 哈尔滨工业大学（深圳），香港理工大学，香港大学

研究背景

半导体超晶格异质结构对现代微电子学和固体电子学的发展具有不可替代的重要作用。将不同材料通过界面工程进行集成，构建的具有丰富结构/电子多样性的异质结构在功能器件领域得到了广泛的应用。特别的，由于独特的线性结构、曲率和量子限域效应，一维原子晶体（纳米线、纳米管和纳米带）异质结构中电子/光子/声子的产生和传输都呈现出新的特点，其为新型量子器件、电子和光电子器件的设计开发开辟了新的方向。传统的高质量一维半导体异质结的构建策略需要异质材料具有极高的晶格匹配度，界面间结合都依赖较强的共价键结合，这些严重的限制了一维半导体异质结构的进一步发展。基于界面弱范德华力（van der Waals）相互作用的集成策略在二维层状材料体系中获得了巨大的成功。由于界面结合不依赖于化学键和晶格匹配度，这种柔性的集成方法同样可以适用于一维异质结构的设计构建。同时，任何1D原子晶体都可以和其他不同维度的材料整合成为混合维度vdW异质结构，即1D+nD（n=0,2,3）的组合。这种基于一维原子晶体的范德华异质结构极大的扩展了异质结构体系范围，对基础物理研究和新型功能电子器件开发具有重要的指导意义。

文章简介

近日，哈尔滨工业大学（深圳）材料学院徐成彦教授（通讯作者）、秦敬凯助理教授（第一作者）和香港理工大学柴扬教授（通讯作者）合作在《材料科学进展》（Progress in Materials Science）上发表综述文章，从一维异质结构的基本概念讲起，系统阐释了一维原子晶体范德华异质结构独特的物理特性，详细分析了这种异质结构在固态光子/电子/光电子器件、光电系统集成和电化学能量存储领域的应用，并展望了其未来的应用前景和存在的关键技术问题。《材料科学进展》是国际材料科学研究领域的顶级期刊，主要刊登在材料科学与工程某一研究领域最新研究进展的权威性评述论文，2020年影响因子为39.58。哈尔滨工业大学（深圳）甄良教授、香港大学Lain-Jong Li教授对论文亦有贡献，香港理工大学博士生王聪共同参与了论文的撰写工作。

图1 基于一维原子晶体的范德华异质结构研究进展

本文要点

1. 典型一维范德华异质材料体系的结构特性和制备策略

传统的一维异质结构制备主要采用MOCVD和MBE等工艺，异质材料间界面通过强共价键结合，因此材料设计和制备具有很大的局限性。而基于弱范德华力界面作用的异质结制备策略，不需要考虑晶格匹配度，具有不同结构、维度、物理特性的材料能够以一维原子晶体为模板进行自由组合，构成1D+nD （n=0-3）的范德华异质结构。本文详细介绍了一维范德华异质材料体系的结构特点与制备策略，包括一步合成法、范德华异质外延、液相驱动自组装和物理辅助转移等，分析了不同制备策略的优势与弊端，并深入讨论了其与异质结构类型、功能和器件应用之间的相互关系。

2. 一维范德华异质材料体系结构相关的物理性能

一维范德华异质材料体系的物理性能和器件应用与其结构特性密切相关，主要取决于异质组元各自的结构和物理性能以及异质界面特性。一方面，径向维度上的量子限域效应会产生一些显著区别于其他维度体系的新奇物理现象。另一方面，一维范德华异质结构界面存在的物理间隙会对异质组元之间的能量交换和电子/声子/光子的转移行为产生重要的影响。本文深入讨论了一维范德华异质材料体系结构相关的物理性能，包括空间限域效应和相变、能带结构和电学特性、光学特性、热学性能和环境稳定性和取向性质量输运等。

3. 一维范德华异质结构的应用

 一维原子晶体与其他材料的自由组合，使得这些异质结构材料的功能范围不断扩展，独特的结构特性和物理性能使其具有广泛的实际应用前景。本文详细梳理了一维范德华异质结构在固态电子器件（场效应逻辑器件、二极管、传感器）、光电子器件（光电探测器、太阳能电池、发光二极管）、光子器件和光电集成系统、电化学能量存储与转换（电催化、锂离子电池）等领域的应用，并深入讨论了一维范德华异质结构在不同领域应用的优缺点，为其进一步发展提供了参考。

4. 总结与展望

一维范德华异质结构的发展极大的扩展了异质材料体系的内涵，无论是在基础物理研究和还是产业化应用方面其都有着光明的前景。文章最后展望了一维范德华异质结构在新奇量子物理基础研究、新结构新原理电子/光电子器件和电-光集成电路系统等领域的研究前景，并指出了当前一维范德华异质结研究迫切需要解决的关键问题，为后续工作指明了方向。

文章链接

Jing-Kai Qin, Cong Wang, Liang Zhen, Lain-Jong Li, Cheng-Yan Xu^*, Yang Chai^* Van der Waals Heterostructures with One-Dimensional Atomic Crystals. Progress in Materials Science 2021, 122: 100856.

 https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2021.100856

本文由作者投稿。