南京大学最新Nature

二维(2D)范德华(vdW)异质结构近年来引起了广泛的关注。最广泛使用的制造方法是将机械剥离的微米大小的薄片堆叠起来，但这种方法在实际应用中是不可扩展的。尽管使用各种堆叠组合创造了数千种2D材料，但几乎没有任何大型2D超导体可以完整地堆叠成vdW异质结构，这极大地限制了此类器件的应用。

2023年9月6日，南京大学高力波、徐洁及南方科技大学林君浩共同通讯（周振佳及侯福臣为共同第一作者）在Nature 在线发表题为“Stack growth of wafer-scale van der Waals superconductor heterostructures”的研究论文，该研究报告了一种在晶圆尺度上可控地生长多层vdW超导体异质结构(vdWSH)薄膜堆栈的高低温策略。

vdWSH中二维超导体的层数可以精确控制，已经成功地生长了27个双块，15个三块，5个四块和3个五块vdWSH薄膜(其中一个块代表一个二维材料)。形态学、光谱学和原子尺度结构分析表明，在大尺度上存在平行、干净和原子锋利的vdW界面，相邻层之间的污染很小。完整的vdW界面能够在厘米尺度上实现邻近诱导超导和超导约瑟夫森结。该研究制造的多层vdWSHs的过程可以很容易地推广到涉及2D材料的其他情况，潜在地加速下一代功能器件和应用的设计。

二维(2D)范德华(vdW)异质结构被认为是探索二维物理和器件应用的最佳途径之一。多层vdW异质结构，在实验室中由超导体、半导体、铁磁体和绝缘体的基本构件组装而成，为设计和创造具有现有材料无法达到的功能的结构提供了非凡的灵活性。在堆叠组件的组合中，vdW超导体异质结构(vdWSHs)受到了特别的关注，它是由二维超导体与其他材料堆叠而成的。高质量的二维vdWSHs制备为研究超导邻近效应、约瑟夫森结、超导二极管和基于majorana的量子计算提供了平台。

为了用特定的材料和特定的堆叠顺序制造vdWSHs，机械组装被用于组合，包括NbSe2\半金属，NbSe2\半金属\NbSe2, NbSe2\铁磁体\NbSe2和其他堆叠安排，其中包含几层NbSe2的薄片被用作2D超导体。然而，这种机械组装堆垛会导致vdW界面不完美、堆垛困难和有效vdWSHs的产率低。vdW外延法已经成功地用于生长vdWSHs，但由于二维超导体的环境敏感性和缺乏结构稳定性，这些方法都没有实现vdWSHs的大规模制造。因此，迫切需要一种生长晶圆级vdWSHs的通用策略，将厚度可控的二维超导体结合起来。

由高到低温策略引导的多块vdWSHs堆叠生长（图源自Nature ）

该研究开发了一种通用的高到低温策略，可以在晶圆规模上堆叠生长各种多块vdWSHs。高结晶二维超导体可以成功地堆叠在这些vdWSHs中，并且它们的厚度可以精确控制。通过原子尺度的观察和它们特定的物理性质证实，vdWSHs中所有的二维材料都是完整的，具有干净的vdW间隙。晶圆级邻近诱导超导和约瑟夫森结的实现表明，堆叠生长的vdWSH薄膜具有优异的晶体质量和每个块之间强的层间耦合。总之，更多的vdW异质结构的可控堆叠增长，以及它们的有效耦合和设计特性，将在不久的将来加速基础研究和下一代多功能器件的应用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06404-x

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！