杰青领衔，中科院半导体研究所，最新成果登顶Nature Synthesis！

米测 MeLab

2024-06-28

研究背景

随着现代科技的不断发展，人们对于构建更高效、更灵活的量子信息设备的迫切需求日益增长。其中，量子点（Quantum Dots, QDs）因其具有固有量子约束效应和尖锐的离散能级而备受关注。这些微小的半导体结构在非线性光学、半导体激光器、光检测以及量子计算等领域展现了潜在的广泛应用前景。然而，要充分发挥QDs在这些应用中的作用，需要解决诸如组成设计、形态控制和界面特性等方面的挑战。

在之前的研究中，科学家们已经提出了各种制备QDs的方法。其中，胶体溶液法被证明是一种成功的途径，能够制备具有高度可控形态的QDs。然而，由于可溶性前体的限制，这种方法只能应用于少数IV–VI和过渡金属二硫化物等组分的QDs制备。另一方面，自组装外延方法也被用来生长高质量的III–V QDs，但是晶格失配的限制使得这种方法无法应用于更多种类的QDs。因此，现有的制备方法在组分灵活性、形态设计以及界面纯度方面存在着一定的局限性。

为了解决这些问题，中国科学院半导体研究所、973首席科学家，新世纪百千万人才工程国家级人选，国家杰出青年科学基金获得者刘峰奇教授、翟慎强副研究员、魏钟鸣研究员以及中国人民大学物理系刘灿研究员携手提出了一种全新的方法，利用van der Waals（vdW）表面作为QDs的外延基底。这种方法的关键在于利用vdW表面与QDs之间的相互作用来克服晶格失配的限制，从而扩展了QD组成的多样性。与此同时，利用二维vdW材料的低表面能，使得QDs能够获得最佳的形态，从而提高了器件的性能和均匀性。此外，在超高真空分子束外延系统中，确保了QDs与vdW基底之间的固有界面，进一步提升了界面的纯度和效率。以上成果在“Nature Synthesis”期刊上发表了题为“Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces”的最新论文。因此，这项研究成功地实现了具有可定制组成、可控形态和固有界面的QDs的通用合成，为QDs在光检测等领域的应用提供了新的可能性。

科学亮点

1) 本实验首次采用van der Waals (vdW) 外延策略，成功制备了具有可定制组成、可控形态和固有界面的量子点(QDs)。这一方法的关键在于利用二维层状材料与QDs之间的vdW相互作用来克服晶格失配的限制，从而扩展了QDs的组成多样性。

2) 实验结果表明，通过vdW外延策略制备的QDs具有更多固有特征，包括离散的能级、可调的电子结构和稳定的光子‒电子相互作用。此外，由于vdW表面的低表面能，QDs的形态易于控制，能够实现具有大长径比的理想形态。

3) 在超高真空分子束外延 (MBE) 系统中，实验确保了QDs与vdW基底之间的固有界面，促进了有效的界面耦合和额外的电荷转移。这为QDs在光电子应用中的进一步发展提供了基础，特别是在光检测领域，实现了光响应范围的增宽。

图文解读

图1：在MoS₂表面上通过vdW外延生长InSb QDs。

图2.通过理论模拟展示InSb QDs在MoS₂表面上vdW外延生长的机理。

图3. 在FL mica片上生长的InAs QDs的晶圆级制。

图 4：在不同vdW基底（hBN、FL mica、MoS₂和石墨烯）上生长的III-V和IV-VI QDs的通用制备过程。

图5：InSb QDs/MoS₂异质结构的光探测性能。

科学启迪

本文探索了一种全新的方法来制备量子点（QDs），即利用二维层状材料的vdW表面作为生长基底。通过这种方法，我们不再受限于传统外延生长方法中晶格匹配的限制，可以实现对QDs组成的广泛控制。这一策略的关键优势在于在QD与基底之间形成的适度和可调耦合，使得QDs能够摆脱相干外延和应力的影响，同时避免了外部化学污染的问题。这为制备具有优异性能的QDs提供了新思路。此外，本文还指出了需要进一步发展的一些互补技术，如优化QD的形态和构建多层异质结构，以进一步提高QD的性能和功能。这些技术的发展将为实现更广泛的QD应用提供重要支持。

更进一步地，在理论上，我们可以在任何vdW表面上生长非层状稳定相，进一步扩展了这一方法的适用范围。QDs与二维层状材料的结合不仅形成了固有的vdW界面，还产生了有效的电荷转移通道，为研究混合维异质结构提供了新的平台。这将有助于拓展低维量子系统的应用领域，推动量子信息、光电子等领域的发展。

原文详情：

Xin, K., Li, L., Zhou, Z. et al. Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00562-0