范德華異質(zhì)結(jié)：超越極限的電子學(xué)材料
?不同形態(tài)的范德華異質(zhì)結(jié)
撰文 | 李天然（北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院）
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操控不同的原子一個(gè)個(gè)堆疊起來，得到想要的材料，這一直以來可能都是化學(xué)家的終極夢(mèng)想之一。2004年，單原子厚度石墨烯的發(fā)現(xiàn)為這樣的夢(mèng)想帶來了希望。十多年以來，沿著這條道路，人們陸續(xù)找到了原子級(jí)厚度的金屬，原子級(jí)厚度的半導(dǎo)體、絕緣體，原子級(jí)厚度的鐵磁體和超導(dǎo)體……自此，人們可以突破定向摻雜、單晶外延等傳統(tǒng)方法對(duì)材料種類的嚴(yán)重限制，而僅僅是將這些材料如同砌墻一樣堆疊起來，就可以輕易獲得一大批功能迥異的范德華異質(zhì)結(jié)(Vander Waals Heterostructures)。在未來的集成電路、光電探測器、傳感器等應(yīng)用中，這些具有豐富功能的范德華異質(zhì)結(jié)必將扮演重要的作用，幫助人們走向萬物互聯(lián)的時(shí)代。
一
范德華力支配的新世界
2004年，當(dāng)Andrew Geim和KonstantinNovoselov等幾位物理學(xué)家從石墨中剝離得到石墨烯后，整個(gè)材料科學(xué)界都被深深震撼了。這種已被理論學(xué)家預(yù)言不可能存在的材料，不僅能夠穩(wěn)定存在，并且還具有極高的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性。人們第一次看到，一個(gè)單原子厚度的材料竟然可以強(qiáng)韌到懸空放置也不會(huì)破裂。在相同厚度下，石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的材料。
?石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)
石墨烯這樣的性質(zhì)與它的微觀結(jié)構(gòu)密不可分。其片層內(nèi)部的所有碳原子都以強(qiáng)大的共價(jià)鍵與周圍的三個(gè)碳原子連接在一起，形成一個(gè)牢不可破的蜂窩狀結(jié)構(gòu)；而在垂直方向上，石墨烯卻沒有多余的價(jià)電子與其它原子成鍵，這意味著當(dāng)石墨烯堆疊成三維石墨的時(shí)候，片層之間是以微弱的分子間作用力（范德華力）相連接的，這就是石墨能夠被膠帶撕開的原因。
跟隨著石墨烯的路徑，二維材料的大門轟然打開。從作為導(dǎo)體的石墨烯，到半導(dǎo)體MoS2、絕緣體h--BN、超導(dǎo)體NbSe2，鐵磁體CrI3等等，它們都具有共同的特點(diǎn)，即層內(nèi)的原子由共價(jià)鍵連接，層間由范德華力相連。
二
“完美”的異質(zhì)結(jié)
二維材料的發(fā)現(xiàn)為創(chuàng)造新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了嶄新的思路。以往要獲得異質(zhì)結(jié)，可以通過同質(zhì)材料的摻雜，例如半導(dǎo)體硅的PN結(jié)。或者通過晶格匹配的襯底材料上進(jìn)行外延生長。這樣方法對(duì)材料的限制非常嚴(yán)重，稍有不慎就會(huì)在界面處形成嚴(yán)重的位錯(cuò)和缺陷，從而影響異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量。而對(duì)于二維材料來說不存在這樣的問題。由于層間不存在共價(jià)鍵，因此不受晶格匹配和材料種類的限制，通過依次堆疊不同的材料就可以獲得趨向于完美的異質(zhì)結(jié)。
?異質(zhì)結(jié)界面（左）傳統(tǒng)方法獲得的異質(zhì)結(jié)，界面應(yīng)力、缺陷、原子滲透難以避免（右）范德華異質(zhì)結(jié)，界面結(jié)構(gòu)趨向完美。
完美的異質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來了完美的電學(xué)性質(zhì)。例如，堆疊得到的金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面缺陷極少，解除了費(fèi)米能級(jí)釘扎，使得其界面勢(shì)壘高度趨向于肖特基-莫特極限。更加美妙的是，由于二維材料柔韌性，這樣的異質(zhì)結(jié)加工成的各種器件具有非常好的延展性和可彎折性，在柔性電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
三
萬物皆可堆疊
理解了范德華異質(zhì)結(jié)的本質(zhì)后，我們可以想到：不僅僅是二維材料，包括零維的納米顆粒，一維的納米線和納米棒，甚至三維材料，任意兩種以范德華力相互作用的材料，我們都可以將使它們以一定的方式堆疊在一起，形成范德華異質(zhì)結(jié)。這一系列方法可以被統(tǒng)稱為范德華集成(Vander Waals Integration)。
在未來的微電子器件中，我們可以借助范德華集成，在提升性能的同時(shí)大大降低制造成本。半導(dǎo)體溝道、金屬電極、互聯(lián)、光電探測器、存儲(chǔ)器甚至隔離和封裝層，統(tǒng)統(tǒng)可以通過層層堆疊的方式獲得。也許未來有一天，集成電路將走出數(shù)百億美元投資的半導(dǎo)體工廠，變成一項(xiàng)在印刷廠中就可以制造的產(chǎn)品。
?以范德華集成的方式制造集成電路
作者介紹：
李天然，本科就讀于北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院，北京大學(xué)物理學(xué)雙學(xué)位。現(xiàn)為北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院物理化學(xué)專業(yè)博士研究生，主要研究方向?yàn)椋夯谛滦透哌w移率二維半導(dǎo)體材料的高性能場效應(yīng)晶體管、隧道器件及光電器件。
注：本文轉(zhuǎn)載自未來論壇。
