范德华异质结：超越极限的电子学材料 | 2019未来科学大奖周

操控不同的原子一个个堆叠起来，得到想要的材料，这一直以来可能都是化学家的终极梦想之一。2004年，单原子厚度石墨烯的发现为这样的梦想带来了希望。十多年以来，沿着这条道路，人们陆续找到了原子级厚度的金属，原子级厚度的半导体、绝缘体，原子级厚度的铁磁体和超导体……自此，人们可以突破定向掺杂、单晶外延等传统方法对材料种类的严重限制，而仅仅是将这些材料如同砌墙一样堆叠起来，就可以轻易获得一大批功能迥异的范德华异质结(Vander Waals Heterostructures)。在未来的集成电路、光电探测器、传感器等应用中，这些具有丰富功能的范德华异质结必将扮演重要的作用，帮助人们走向万物互联的时代。

一

范德华力支配的新世界

2004年，当Andrew Geim和KonstantinNovoselov等几位物理学家从石墨中剥离得到石墨烯后，整个材料科学界都被深深震撼了。这种已被理论学家预言不可能存在的材料，不仅能够稳定存在，并且还具有极高的机械强度和导电性。人们第一次看到，一个单原子厚度的材料竟然可以强韧到悬空放置也不会破裂。在相同厚度下，石墨烯是人类已知强度最高的材料。

石墨烯的微观结构

石墨烯这样的性质与它的微观结构密不可分。其片层内部的所有碳原子都以强大的共价键与周围的三个碳原子连接在一起，形成一个牢不可破的蜂窝状结构；而在垂直方向上，石墨烯却没有多余的价电子与其它原子成键，这意味着当石墨烯堆叠成三维石墨的时候，片层之间是以微弱的分子间作用力(范德华力)相连接的，这就是石墨能够被胶带撕开的原因。

跟随着石墨烯的路径，二维材料的大门轰然打开。从作为导体的石墨烯，到半导体MoS2、绝缘体h­-BN、超导体NbSe2，铁磁体CrI3等等，它们都具有共同的特点，即层内的原子由共价键连接，层间由范德华力相连。

二

“完美”的异质结

二维材料的发现为创造新的异质结构提供了崭新的思路。以往要获得异质结，可以通过同质材料的掺杂，例如半导体硅的PN结。或者通过晶格匹配的衬底材料上进行外延生长。这样方法对材料的限制非常严重，稍有不慎就会在界面处形成严重的位错和缺陷，从而影响异质结的质量。而对于二维材料来说不存在这样的问题。由于层间不存在共价键，因此不受晶格匹配和材料种类的限制，通过依次堆叠不同的材料就可以获得趋向于完美的异质结。

异质结界面(左)传统方法获得的异质结，界面应力、缺陷、原子渗透难以避免（右）范德华异质结，界面结构趋向完美。

完美的异质结构带来了完美的电学性质。例如，堆叠得到的金属-半导体异质结界面缺陷极少，解除了费米能级钉扎，使得其界面势垒高度趋向于肖特基-莫特极限。更加美妙的是，由于二维材料柔韧性，这样的异质结加工成的各种器件具有非常好的延展性和可弯折性，在柔性电子学领域具有广泛的应用前景。

三

万物皆可堆叠

理解了范德华异质结的本质后，我们可以想到：不仅仅是二维材料，包括零维的纳米颗粒，一维的纳米线和纳米棒，甚至三维材料，任意两种以范德华力相互作用的材料，我们都可以将使它们以一定的方式堆叠在一起，形成范德华异质结。这一系列方法可以被统称为范德华集成(Vander Waals Integration)。

不同形态的范德华异质结

在未来的微电子器件中，我们可以借助范德华集成，在提升性能的同时大大降低制造成本。半导体沟道、金属电极、互联、光电探测器、存储器甚至隔离和封装层，统统可以通过层层堆叠的方式获得。也许未来有一天，集成电路将走出数百亿美元投资的半导体工厂，变成一项在印刷厂中就可以制造的产品。

以范德华集成的方式制造集成电路

2019未来科学大奖高峰论坛新分子制造专场上，本期嘉宾是来自加州理工大学洛杉矶分校的段镶锋教授。段教授师从纳米科学领域的先驱，哈佛大学的CharlesLieber教授，在低维材料的可控合成及高性能电子学器件领域有深厚的积累。近年来，他在范德华异质结领域发表了多个开创性的工作，展示了范德华异质结在场效应晶体管、柔性电子学及光电器件领域的独特优势。

段教授的工作为新型电子器件的研究带来了新思路。基于高超的纳米材料合成技术，他提出了克服现有电子器件固有问题的一系列新方法和新策略，例如：堆叠构筑的金属-半导体接触，其势垒逼近肖特基-莫特极限；合成高质量的二维场效应晶体管，使开态电流达到1mA/μm。正是在段镶锋教授等许多物理化学家的共同努力之下，低维材料超越传统半导体工业从一个设想变成了真正的可能。

11月15日

未来科学大奖高峰论坛

研讨会8：新分子制造

Session Chair 林建华

主题演讲1 - Van der Waals Heterostructures beyond 2D Materials

段镶锋

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校终身教授

段镶锋于1997年在中国科技大学取得学士学位，并分别于1999年和2002年在美国哈佛大学取得硕士与博士学位。基于其博士论文成果，他于2002-2008年参与创建Nanosys 公司。2008年加入美国加州大学洛杉矶分校，现为该校终身教授。他的研究兴趣包括纳米材料的制备，组装及其在未来电子与能源器件中的应用。他近年来在二维材料及其异质结的可控合成，范德华集成，以及相关新型器件等方面取得了一系列开创性成果；同时在三维多孔石墨烯复合储能材料及纳米催化与电化学能源转化等方面也取得了突破性进展。段镶锋教授曾多次获得国际大奖，包括美国青年科学家总统奖；国际材料学会联合会-新加坡材料学会青年研究员奖，英国皇家化学会贝尔比奖章， 国际电化学会田昭武能源材料奖，和中国科学材料创新奖等。

Abstract:

The heterogeneous integration of dissimilar materials is a long pursuit of material science community and has defined the material foundation for modern electronics and optoelectronics. The typical material integration approaches usually involve strong chemical bonds and aggressive synthetic conditions and are typically limited to materials with strict structure match and processing compatibility. Alternatively, van der Waals integration, in which freestanding building blocks are physically assembled together through weak van der Waals interactions, offers a bond-free material integration strategy without lattice and processing limitations, as exemplified by the recent blossom of 2D van der Waals heterostructures. Here I will discuss the fundamental forces involved in van der Waals integration and generalize this approach for flexible integration of radically different materials to produce artificial heterostructures with minimum interfacial disorder and enable high-performing devices. Recent highlights include the formation of van der Waals metal/semiconductor junctions free of Fermi level pinning to reach the Schottky-Mott limit; the creation of a new class of high-order van der Waals superlattices with highly distinct constituent atomic or molecular layers; and the development of van der Waals thin film electronics with unprecedented flexibility and stretchability. I will conclude with a brief prospect on exploring such artificial heterostructures as a versatile material platform with electronic structure by design to unlock new physical limits and enable device concepts beyond the reach of the existing materials.

文／李天然，本科就读于北京大学化学学院，北京大学物理学双学位。现为北京大学化学学院物理化学专业博士研究生，主要研究方向为：基于新型高迁移率二维半导体材料的高性能场效应晶体管、隧道器件及光电器件。