随着二维vdW材料的发展，关于混合维度异质结的研究逐渐火热，本文结合段镶峰&黄昱课题组在Matter上发表的Review^[1]和最近发表的一些混合维度异质结的工作^[2，3]来谈一谈混维异质结的那些事儿。,

  什么是异质结？

  当结合两个不同的材料形成“A体相-AB界面-B体相”的新结构时，我们称这种结构为异质结。形成异质结的材料可以具有不同的化学组成、晶体结构和电子结构，它们可以是金属、半导体或高介电常数电介质。因此，通过结合两种不同的材料可以构建出新颖的界面电子结构。异质结广泛地应用于现代电子工业中的FET、LED、太阳能电池、光电探测和非易失性存储器件等。

图1. 混合维度异质结示意图

  异质结中存在的挑战

  传统材料（非vdW）构成的异质结在AB界面处需要成化学键，因此传统异质结的形成非常依赖于外延生长技术，例如MBE和MOCVD等。然而，由于A、B两相的晶格结构以及化学成分不同，非常容易在AB界面处形成大量的缺陷和位错。界面的缺陷会在电子结构中形成杂质能级，从而影响异质结的电学/光电性能。例如，立方Si和六方GaN构成的P-N异质结的电学性能（如整流比）远远低于理想值^[4]；通过PVD制备的金属-半导体界面由于结构位错产生费米能级钉扎效应^[5]。界面处的位错会影响异质结结构的稳定性，随着外延层的厚度增加，界面处的位错不容易通过界面应变而释放，此时位错就会向外延层体相扩散，最终可能导致外延层的撕裂（薄膜生长的S-K效应）^[6]。

  因此，构成传统异质结的限制非常多，需要A、B两相具有接近的化学组分和晶格结构，在外延生长时还需要二者有接近的热膨胀系数以避免降温时产生界面位错^[7]。目前传统材料异质结往往局限于同主族或具有相同晶体结构材料，例如四族Si, Ge; 三五族； 二六族等^[8]。

  由此可见，传统异质结面临着诸多挑战：可用的材料局限、制备手段局限以及设计出的异质结由于界面缺陷而达不到理想功能。

  二维vdW异质结

  与传统异质结不同，vdW异质结是通过层间vdW作用形成的，AB界面处不存在化学键，因此可避免由于界面晶格位错等造成的电子结构缺陷。vdW异质结最大程度上保留了A、B两相原先的电子结构特性。另外，由于vdW异质结的构成与A、B两相间的晶格取向无关，因此可以通过非外延生长的方法构建vdW异质结。例如通过机械剥离和转移的方法，可以人为定位和堆垛vdW异质结^[9]，这为设计和制造新奇电子结构和多功能异质结器件提供了更强大的灵活度。

图2. 机械转移2D材料示意图

  混合维度异质结

  传统材料与二维材料之间通过vdW作用也可以形成有效异质结，这无疑很大程度上扩充了构成异质结的材料库。将二维vdW材料与传统材料中的0D（量子点）、1D（纳米线/带）和3D（bulk）相结合就构成了混合维度异质结^[10]。混合维度异质结的特点不仅仅是结合A、B两相的电子结构特性，还综合了二者的形貌结构特性。例如，在0D/2D异质结中，可通过调控量子点的尺寸大小来调整等离激原的吸收特性，从而调整0D/2D异质结器件的光学和光电特性^[11]。在1D/2D异质结中，可以将1D材料的光波导特性和光偏振特性耦合到异质结中，从而增强异质结器件的光电性能。高介电常数核壳纳米线和二维材料形成的1D/2D异质结可以将纳米线作为栅极，构建出高效的FET器件^[12]。

图3. 0D/2D异质结器件示意图

图4. 1D/2D异质结器件示意图

  半导体电子/光电材料的未来发展很大程度上聚焦于二维材料领域，我们能想象到的未来中无论是柔性科技、高密度集成电子芯片还片上集成光子芯片都可通过二维材料一一实现。

1. DOI: 10.1016/j.matt.2020.12.015

2. DOI: 10.1021/acsnano.0c09912

3. DOI: 10.1002/adfm.202010655

4. DOI: 10.1063/1.3658867

5. DOI: 10.1021/acsami.0c02166

6. DOI: 10.1021/nl8020973

7. DOI: 10.1063/1.2012538

8. DOI: 10.1021/nl050605z

9. DOI: 10.1002/adfm.202001598

10. DOI: 10.1016/j.mtnano.2020.100092

11. DOI: 10.1126/science.1239501

12. DOI: 10.1038/nature09405