第一作者：Kaiyao Xin, Lian Li, Ziqi Zhou
量子点（QDs）具有离散能级、可调电子结构和强大的光子-电子相互作用，在非线性光学、半导体激光器、光电检测和量子计算等多个领域引起广泛关注。这些应用场景中QDs的效率取决于它们的组成、形态和界面特性。特别是，QDs的组成决定了它们为特定应用提供的功能，而形态调节了电子结构和能级。此外，QDs与其基底之间的界面在电子-声子相互作用和电荷传输过程中起着至关重要的作用。因此，合成具有可定制组成、可控形态和内在界面特性的QDs对于满足各种应用的多样化需求至关重要。
本文提出了一种范德瓦尔斯（vdW）外延策略，通过调节vdW表面和QDs之间的界面耦合来生长本征QDs。所制备的多种III-V（MX, M=Ga, In; X=As, Sb）和IV-VI（SnTe）QDs，无需考虑晶格失配限制，从而获得了具有更多本征特性的QDs。
进一步证明了生长的InSb QDs/MoS2在近红外区域显示出宽的光响应，这是由于它们vdW界面上高效的电荷传输通道。本工作报告了一种全固态外延QDs的合成路线，这可能扩大QDs的光电子应用，超出了传统生长方法的范围。
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的晶圆级制备。
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。
本研究展示了通过使用2D范德瓦尔斯材料的vdW表面作为基底，实现了高度可控的QDs生长，这些QDs具有扩展的组成范围。基于QD与基底之间的适度和可调节的耦合，该方法使得QDs不受相干外延的限制、应力的影响以及外部化学污染。
此外，通过优化III-V QD形态和构建多层异质结构等补充技术，也需要进一步开发。理论上，任何vdW表面都可以生长非层状稳定相的QDs。QDs与2D层状材料的结合形成了内在的vdW界面，并产生了有效的电荷传输通道，为研究混合维度异质结构提供了新的平台，并扩大了低维量子系统的潜在应用。
标题：Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces
DOI：10.1038/s44160-024-00562-0
翟慎强，中国科学院半导体研究所研究员，中国科学院青促会会员，国家自然科学基金委优秀青年基金获得者。长期从事中远红外半导体量子级联激光器（QCL）的材料外延生长、器件物理及其应用研究。
魏钟鸣，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师，中国科学院大学岗位教授。长期从事新型低维半导体材料与器件的研究工作，主要研究方向：低维半导体材料（二维原子晶体、分子晶体等）的设计与生长；低维半导体器件（偏振光探测器、输运器件等）的构筑与测试。
刘峰奇，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师。现任半导体材料科学重点实验室主任。2005年国家杰出青年科学基金获得者，2007年新世纪百千万人才工程国家级人选。曾获国家自然科学奖二等奖2次、中国科学院自然科学一等奖1次、教育部科技进步一等奖1次。
刘灿，中国人民大学物理系研究员/副教授，主要研究方向为低维材料的表界面调控及纳米光谱学研究。具体包括：(1)低维材料生长动力学与热力学调控；(2)晶圆级二维单晶外延制造；(3)低维材料超高灵敏度纳米光谱学技术；(4)表面耦合物理及光学器件。
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