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二维材料的这个特点释放了科学家的双手_宜兴窑炉

文章出处:网络整理作者:蜘蛛侠人气:发表时间:2019-04-11 14:52【

1、从闪存的发明讲起

1967年,贝尔实验室的年轻科学家施敏与同事姜大元休息吃甜点时(施敏口述当时是因为姜同学午饭没吃饱所以跑去吃点心),一层又一层的涂酱触动他二人的灵感,想到在金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)中间加一层金属层,结果发明了非挥发性记忆体(Flash),随后两人发表了第一篇关于非挥发性内存的论文“浮栅非挥发性半导体内存单元”,第一次阐述了闪存存储数据的原理技术,开启了存储技术的新时代。牛人就是牛人,吃个点心也能推动科研进展。

图 1年轻时的姜大元(左)和施敏(右),浮栅非挥发性半导体内存单元的结构示意图。图片来自施敏的报告PPT。

 二维材料的这个特点释放了科学家的双手_宜兴窑炉

吃货们对科学的贡献不是现在才有的。据说,18世纪的英国贵族约翰·孟塔古迷恋玩桥牌,常常玩得废寝忘食,为了节省吃饭的时间,他发明了一种将蔬菜肉类夹在面包中间的食物,这种食物后来被称为三明治。三明治不仅制作简单,而且食用方便,更重要的是人们可以按自己喜好随意搭配食材。不知是不是受到了三明治的启发,材料科学家们喜欢把不同的材料组合起来研究它们的性质,这种组合叫做异质结。当然,气氛推板窑,科学家研究异质结可不是因为它们制作简单,事实上制备高质量的异质结是一件非常难的事,并不是随意搭配“食材”就可以制备异质结,而是经过精挑细选的“食材”才能制成“美味的三明治”。人们之所以费劲千辛万苦制作异质结是因为其内在新颖的物理现象和优良的性能表现。

2、异质结是何方神圣

异质结将不同性质的材料结合,气氛辊道窑,常常会出现1+1>2的效果。比如PN结晶体管的发明推动了现代电子技术的伟大变革,PN结就是两种不同类型的半导体材料组成的异质结;又比如氧化物异质结,两种绝缘材料LaAlO3/SrTiO3的界面处却具有极高载流子迁移率的二维电子气(1)。异质结的贡献不仅影响我们的生活,它那奇特的物理现象也让无数学者为之着迷。虽然设计异质结是一个非常诱人的想法,然而在实际中却很难实现,将不同材料组合形成一个整体是一项非常有挑战的任务。异质结是将不同的材料薄膜先后沉积在同一块衬底上,所以面临的问题就是材料的晶格是否匹配。如果将晶格常数差异很大的材料合成在一起则会产生很多缺陷影响异质结的性能。制备异质结对科学家来说是十分痛苦的过程,科学家很难去设计具有预定性能和功能的组合,需要苦思冥想解决不同晶体结合产生的晶格失配问题。通常的解决办法是插入缓冲层以兼容不同晶格常数的薄膜,但是缓冲层的引入又带来太多不确定因素,所以目前制备高质量的异质结的材料常常是具有较好的晶格匹配度,这严重限制了异质结的发展。

3、二维材料异质结

多年来,对石墨烯和其他二维原子晶体的研究一直是凝聚态物理和材料科学的热点之一。早期人们的研究对象主要是孤立的原子层(比如石墨烯和过渡金属二硫化物),但是随着微纳技术的不断改进,人们尝试着逐层组装设计二维材料构建新型异质结,通常称为“范德瓦尔斯异质结”。目前,范德瓦尔斯异质结构逐渐发展成为研究二维材料的主要平台。在这里,笔者总结了范德瓦尔斯异质结的三个优势。

一、二维材料为制备异质结提供了一个广阔的材料基础。二维材料已发展成为一个庞大的家族(图 2),并覆盖了广泛的物理性质(图 3)。比如最早发现的石墨烯是零带隙半金属,它是由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型蜂窝结构的单原子层厚的二維材料。之后人们又发现半导体MoS2以及人丁兴旺的过渡金属硫化物。由于过渡金属的d带逐渐被填充,使它们具有丰富的电子特性,从绝缘体或半导体(例如,Ti,Hf,Zr,Mo和W二硫化物)到金属或半金属(V,Nb和Ta二硫化物)。二维材料中绝缘体的代表则是六方氮化硼(hBN),它由B原子和N原子交替排列成六圆环组成,具有强共价键(sp²)和与石墨几乎相同的晶格常数。由于hBN具有较好地机械性能和稳定化学性质以及大的带隙,人们在制备器件时常常把hBN用作封装层或衬底材料(2, 3),提供没有悬挂键和电荷陷阱的原子级光滑表面。图 2展示了目前发现的二维材料,它是一个庞大的群体并且在不断的扩大。

图 2二维材料家族。