范德瓦尔斯异质结构原理 (石墨烯和范德瓦尔斯)

将不同材料集成到异质结构heterostructures中,已成为设计界面和电子结构的有力工具。二维2D材料的出现,为新型异质结构提供了前所未有的机遇,如范德瓦尔斯堆叠van der Waals stacks、横向缝合laterally stitched二维2D层,以及更复杂的层状和三维3D结构。

  近日,西班牙马德里先进材料研究所Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) Andres Castellanos-Gomez,Peter Sutter等,在Nature Reviews Methods Primers上发表综述文章,概述了生产这种范德瓦尔斯异质结构的最新方法,重点介绍了两种根本不同的策略,即自上而下的确定性组装和自下而上的合成。同时,还讨论了这两种方法的成功技术、优点和局限性。

  与制造本身同样重要的是,对所产生的工程材料的表征,其中强调了涵盖结构、组成和新兴功能的一系列分析技术。人工范德瓦尔斯结构性质的例子包括光电子学和等离子体激元、扭曲学,及其从2D到3D晶体组分的范德瓦尔斯组装的推广所产生的独特功能。最后,讨论了在增强的均匀性、界面纯度、特征控制和最终数量级增加范德华异质结构的复杂性方面,可重复性、局限性和未来突破的机会等当前问题。

范德瓦尔斯异质结构,范德瓦尔斯异质结构原理

Van der Waals heterostructures.范德瓦尔斯异质结构

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三维3D晶体的外延异质结构和范德瓦尔斯van der Waals异质结构

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金膜辅助剥离的工作原理和剥离2D晶体的实例

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范德瓦尔斯堆栈组装过程的主要步骤

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生产多结异质结构和超晶格的化学气相沉积chemical vapour deposition,CVD方法

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控制层间扭曲的自下而上合成方法

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范德瓦尔斯异质结构的表征

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基于石墨烯范德华异质结构的等离子体激元响应

层状块状晶体的剥离exfoliation from layered bulk crystals,作为自上向下制备二维晶体和异质结构的重要组成部分,将继续得到进一步的发展和提高,这有利于基础研究和应用。未来发展方向包括,获得更高质量的更大晶体方法,利用对界面相互作用的改进控制(如金辅助剥离所证明的),并需要在大(晶片)规模上,产生最佳质量源块状晶体的晶体生长工艺。

范德瓦尔斯异质结构的确定性组装结构,在力学堆放晶面方面,存在两大主要挑战。  第一个也可能是最紧迫的挑战问题是,在材料堆叠层之间减少残留量:这样的残留物,倾向于形成气泡和波纹,限制了可以制造最终器件的有效清洁表面区域。事实上,已经有在高真空下制造异质结构的实验证明,但是这些系统的实施,仍然不广泛,并且转移方法,需要在异质结构组装的一些步骤期间,将二维2D材料暴露于空气。开发更清洁的转移方法,或在受控超高真空环境中实施这些技术,将是近期的研究方向之一。

第二个公开的挑战没有明显的单一解决方案,即避免高度依赖于实验员技能的手动转移过程中,从而形成固有的样本间差异。这种可变性,不仅妨碍了对不同实验室制作的样品进行比较,甚至还妨碍了来自同一实验室、由不同研究人员或在不同时间制作的样品进行比较。  机器人样本制备方法的发展,涉及计算机视觉和机器学习算法自主识别、提取和转移材料,因此,有必要立即实施,特别是针对复杂异质结构结构的研究。随着这些未来的发展,范德瓦尔斯异质结构,可以在不同材料的无损伤集成中,提供巨大的灵活性,超越传统化学集成的限制,从而定义了一个通用的材料平台,用于探索可调异质结构界面上的电子和自旋相互作用。