林君浩&徐洁&高力波，重磅Nature！

二维范德华异质结构，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级薄片堆叠起来，但这种方法在实际应用中是不可扩展的。

尽管人们已经创造出来了成千上万的二维材料，使用各种堆叠组合，但几乎没有任何大型二维超导体，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。

在此，来自南方科技大学林君浩&南京大学的徐洁&高力波等研究者报告了一种从高温到低温的策略，可用于在晶圆级别上可控地生长多层vdW超导体异质结构（vdWSH）薄膜堆叠。相关论文以题为“Stack growth of wafer-scale van der Waals superconductor heterostructures”于2023年09月06日发表在Nature上。

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建块组装而成，提供了非凡的灵活性，可以设计和创建具有现有材料无法达到的功能的结构。

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、Josephson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，机械组装已被用于组合，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的薄片已被用作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vdWSHs的生长，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。

在此，研究者提出了一种高到低温的策略来控制生长晶圆尺度的多块vdWSH薄膜，其中“高”和“低”是指不同2D材料所需的不同生长温度。研究者的策略是基于这样一个事实，即使用过高的温度会导致预生长的底部2D材料分解、蚀刻或合金化。

研究者开发了一种多循环两步气相沉积工艺，以在晶圆尺度上生长特定的vdWSH薄膜。高晶体质量、高环境稳定性和高热稳定性使得制备出具有干净界面和完整超导性能的叠层生长vdWSH薄膜成为可能。使用这种方法制作的vdWSH薄膜的精确性质可以在堆叠安排中编程，就像原子尺度的乐高积木一样。

图1. 由高到低温策略引导的多块vdWSHs堆叠生长

图1a说明了使用高低温策略的vdWSH薄膜的两步气相沉积生长的多个循环。图1b总结了常见二维材料的优化生长温度。本文重点研究了NbSe₂作为二维超导体，并以WS₂MoS₂NbSe₂PtTe₂为例，演示了堆叠生长vdWSH薄膜的高温到低温策略。

图2. 晶圆级vdWSH薄膜高低温策略的通用性和均匀性

如图2b所示，在NbSe₂MoS₂薄膜中没有特征峰。当研究者颠倒生长顺序，在MoS₂上生长NbSe₂时，MoS₂和NbSe₂的拉曼特征峰出现在堆叠生长的MoS₂NbSe₂ vdWSH薄膜中，这些峰与机械组装膜的峰相似。随着厚度的变化，蓝宝石上堆叠生长的双块MoS₂NbSe₂ vdWSH的光学图像如图2a所示。

在1L MoS₂薄膜上生长的3L NbSe₂薄膜比在蓝宝石上生长的薄膜具有更好的超导性，这表明叠层生长块体的晶体质量不受底层块体材料选择的影响。研究者用较低的生长温度在3L NbSe₂薄膜上堆叠生长2L PtTe₂薄膜，以检验作为底块的3L NbSe₂薄膜的质量。

原子力显微镜(AFM)图像和高度剖面进一步证明了NbSe₂和NbSe₂PtTe₂ vdWSH薄膜阶梯边缘的均匀形貌(图2c)。由于转移的vdWSH的界面不可避免地受到污染，由邻近效应引起的堆叠生长的NbSe₂PtTe₂表现出比转移的NbSe₂PtTe₂更强的超导行为。

图3. 多块vdWSH薄膜的晶体结构

通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(STEM)可以观察到多块vdWSH薄膜的详细原子结构。图3a显示了长度超过75 nm的蓝宝石上1L WS₂1L MoSe₂2L NbSe₂2L PtSe₂vdWSH薄膜的横截面，每层的vdW间隙都保持得很好，看起来与剥离样品相似。

对应区域的近距离STEM图像显示，WS₂、MoSe₂和NbSe₂均为2H结构相，PtSe₂为1T结构相(图3b)，从线强度分布图可以看出，平均层间距离约为0.67 nm。原子STEM图像显示，在每个块中层数均匀控制，并且经过多周期生长过程后其晶体结构保持不变。

图3c所示的能量色散X射线能谱(EDS)图进一步揭示了元素的空间分辨分布，其组成在异质结构界面上发生了突变。研究者还展示了1L WS₂1L MoS₂1L NbSe₂2L PtSe₂的四块vdW异质结构薄膜，其中NbSe₂被很好地控制以保持单层结构(图3d)。EDS光谱也证实了每一层的化学成分，表明叠层生长法对每一层都有很好的层和成分控制。

图4. 叠层生长vdWSH薄膜的层间耦合

图4a是随着n的增加，双块4L NbSe₂nL PtTe₂ vdWSHs的超导性随厚度的变化。4L NbSe₂2L PtTe₂的超导转变临界温度(T_c)为4.27 K，与单个4L NbSe₂薄膜的超导转变临界温度(T_c)接近。发现T_c从n = 2时的4.27 K左右下降到n = 6时的3.01 K左右。

随着PtTe₂薄膜层数的增加，超导性逐渐被抑制，T_c值也随之降低，与厚度有很强的相关性。当PtTe₂薄膜的层数超过10层(约8 nm)时，邻近诱导超导性消失。在NbSe₂PtTe₂ vdWSHs中观察到的超导性抑制主要归因于标准超导邻近效应。

研究者使用堆叠生长来创建4L NbSe₂2L MoSe₂4L NbSe₂的三块膜，其中2L MoSe₂薄膜允许在两个超导NbSe₂薄膜之间形成高相干约瑟夫森耦合。两种NbSe₂薄膜和vdWSHs的变温电阻(R-T)如图4c所示。顶部和底部的NbSe₂膜都保持了超导性，并且在3.7 K以下结也存在超导性。

由于两种NbSe₂薄膜的电阻在一定程度上有助于结的形成，因此结显示出与两种NbSe₂薄膜相同的下降。在1.5 K下测量了vdWSH结的四探针电流-电压(I-V)特性(图4d)，出现了典型的欠阻尼约瑟夫森结。

综上所述，研究者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。

研究者认为，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。

文献信息

Zhou, Z., Hou, F., Huang, X. et al. Stack growth of wafer-scale van der Waals superconductor heterostructures. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06404-x

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

原创文章，作者：Gloria，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/09/25/73a3be1e29/

林君浩&徐洁&高力波，重磅Nature！

相关推荐