新策略讓晶圓級(jí)二維超導(dǎo)材料成功堆疊

據(jù)報(bào)道，《自然》 雜志刊發(fā)了南京大學(xué)和南方科技大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)的研究成果：他們突破現(xiàn)有二維材料制備瓶頸，提出一種新型堆垛生長(zhǎng)二維材料范德華異質(zhì)結(jié)的策略，并用新策略成功制備出27 種二組元、15 種三組元、5 種四組元和3 種五組元二維材料范德華異質(zhì)結(jié)，每種組元中的二維材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且層數(shù)可控，組元層間具有干凈且平整的界面。

據(jù)介紹，二維范德華異質(zhì)結(jié)不依賴于化學(xué)鍵、不受限于晶格匹配度，可以靈活地將多種材料堆疊組裝在一起，被認(rèn)為是探索新物理現(xiàn)象、實(shí)現(xiàn)多功能器件的材料組合方式 “潛力股”，因此受到廣泛關(guān)注。

其中，二維超導(dǎo)材料范德華異質(zhì)結(jié)的可控制備是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子元件應(yīng)用的重要前提。然而，二維超導(dǎo)材料對(duì)環(huán)境十分敏感，目前很難將晶圓級(jí)二維超導(dǎo)材料完整地堆疊成范德華異質(zhì)結(jié)，這極大地限制了超導(dǎo)量子元件的應(yīng)用和發(fā)展。

針對(duì)這一問(wèn)題，南京大學(xué)高力波教授課題組提出了一種新的 “由高到低” 生長(zhǎng)策略。作為論文共同通訊作者，高力波告訴記者：“為了解決二維材料在生長(zhǎng)過(guò)程中的相互影響，我們嘗試把最耐熱的二維材料放在最底層，再在上面逐層堆疊溫度依次遞減的二維材料，從而實(shí)現(xiàn)逐層堆疊生長(zhǎng)范德華異質(zhì)結(jié)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)制備的二維超導(dǎo)材料范德華異質(zhì)結(jié)薄膜的相鄰層之間并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二維超導(dǎo)材料可以被完整地集成到異質(zhì)結(jié)中且保持其超導(dǎo)性能不變。”

借助此方法，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)薄膜的直接圖案化生長(zhǎng)，并且對(duì)生長(zhǎng)基體不存在依賴性。他們通過(guò)掃描透射電子顯微鏡的剖面觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這一系列堆垛生長(zhǎng)的二維超導(dǎo)材料范德華異質(zhì)結(jié)具有清晰的范德華界面以及完整的原子結(jié)構(gòu)。

高力波表示，團(tuán)隊(duì)在此次研究中首次制備了20 多組由多種二維材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)。這些異質(zhì)結(jié)的成功制備，為后續(xù)物性研究和器件制造提供了豐富的超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)材料庫(kù)和有效的制備方法。