Progress?in?Materials?Science：基于一維原子晶體的范德華異質結構

第一作者：秦敬凱

通訊作者：徐成彥，柴揚

單位：?哈爾濱工業大學（深圳），香港理工大學，香港大學

研究背景

半導體超晶格異質結構對現代微電子學和固體電子學的發展具有不可替代的重要作用。將不同材料通過界面工程進行集成，構建的具有豐富結構/電子多樣性的異質結構在功能器件領域得到了廣泛的應用。特別的，由于獨特的線性結構、曲率和量子限域效應，一維原子晶體（納米線、納米管和納米帶）異質結構中電子/光子/聲子的產生和傳輸都呈現出新的特點，其為新型量子器件、電子和光電子器件的設計開發開辟了新的方向。傳統的高質量一維半導體異質結的構建策略需要異質材料具有極高的晶格匹配度，界面間結合都依賴較強的共價鍵結合，這些嚴重的限制了一維半導體異質結構的進一步發展。基于界面弱范德華力（van?der?Waals）相互作用的集成策略在二維層狀材料體系中獲得了巨大的成功。由于界面結合不依賴于化學鍵和晶格匹配度，這種柔性的集成方法同樣可以適用于一維異質結構的設計構建。同時，任何1D原子晶體都可以和其他不同維度的材料整合成為混合維度vdW異質結構，即1D+nD（n=0,2,3）的組合。這種基于一維原子晶體的范德華異質結構極大的擴展了異質結構體系范圍，對基礎物理研究和新型功能電子器件開發具有重要的指導意義。

文章簡介

近日，哈爾濱工業大學（深圳）材料學院徐成彥教授（通訊作者）、秦敬凱助理教授（第一作者）和香港理工大學柴揚教授（通訊作者）合作在《材料科學進展》（Progress?in?Materials?Science）上發表綜述文章，從一維異質結構的基本概念講起，系統闡釋了一維原子晶體范德華異質結構獨特的物理特性，詳細分析了這種異質結構在固態光子/電子/光電子器件、光電系統集成和電化學能量存儲領域的應用，并展望了其未來的應用前景和存在的關鍵技術問題。《材料科學進展》是國際材料科學研究領域的頂級期刊，主要刊登在材料科學與工程某一研究領域最新研究進展的權威性評述論文，2020年影響因子為39.58。哈爾濱工業大學（深圳）甄良教授、香港大學Lain-Jong Li教授對論文亦有貢獻，香港理工大學博士生王聰共同參與了論文的撰寫工作。

圖1?基于一維原子晶體的范德華異質結構研究進展

本文要點

1. 典型一維范德華異質材料體系的結構特性和制備策略

傳統的一維異質結構制備主要采用MOCVD和MBE等工藝，異質材料間界面通過強共價鍵結合，因此材料設計和制備具有很大的局限性。而基于弱范德華力界面作用的異質結制備策略，不需要考慮晶格匹配度，具有不同結構、維度、物理特性的材料能夠以一維原子晶體為模板進行自由組合，構成1D+nD （n=0-3）的范德華異質結構。本文詳細介紹了一維范德華異質材料體系的結構特點與制備策略，包括一步合成法、范德華異質外延、液相驅動自組裝和物理輔助轉移等，分析了不同制備策略的優勢與弊端，并深入討論了其與異質結構類型、功能和器件應用之間的相互關系。

2. 一維范德華異質材料體系結構相關的物理性能

一維范德華異質材料體系的物理性能和器件應用與其結構特性密切相關，主要取決于異質組元各自的結構和物理性能以及異質界面特性。一方面，徑向維度上的量子限域效應會產生一些顯著區別于其他維度體系的新奇物理現象。另一方面，一維范德華異質結構界面存在的物理間隙會對異質組元之間的能量交換和電子/聲子/光子的轉移行為產生重要的影響。本文深入討論了一維范德華異質材料體系結構相關的物理性能，包括空間限域效應和相變、能帶結構和電學特性、光學特性、熱學性能和環境穩定性和取向性質量輸運等。

3. 一維范德華異質結構的應用

?一維原子晶體與其他材料的自由組合，使得這些異質結構材料的功能范圍不斷擴展，獨特的結構特性和物理性能使其具有廣泛的實際應用前景。本文詳細梳理了一維范德華異質結構在固態電子器件（場效應邏輯器件、二極管、傳感器）、光電子器件（光電探測器、太陽能電池、發光二極管）、光子器件和光電集成系統、電化學能量存儲與轉換（電催化、鋰離子電池）等領域的應用，并深入討論了一維范德華異質結構在不同領域應用的優缺點，為其進一步發展提供了參考。

4. 總結與展望

一維范德華異質結構的發展極大的擴展了異質材料體系的內涵，無論是在基礎物理研究和還是產業化應用方面其都有著光明的前景。文章最后展望了一維范德華異質結構在新奇量子物理基礎研究、新結構新原理電子/光電子器件和電-光集成電路系統等領域的研究前景，并指出了當前一維范德華異質結研究迫切需要解決的關鍵問題，為后續工作指明了方向。

文章鏈接

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。