近年來，二維 (2D) 范德華 (vdW) 異質(zhì)結(jié)構(gòu)引起了廣泛關(guān)注 1–5。最廣泛使用的制造方法是堆疊機(jī)械剝離的微米級(jí)薄片 6–18，但該工藝無法擴(kuò)展到實(shí)際應(yīng)用。盡管使用各種堆疊組合 1–3,19–21 創(chuàng)造了數(shù)千種 2D 材料，但幾乎沒有任何大型 2D 超導(dǎo)體可以完整地堆疊成 vdW 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這極大地限制了此類器件的應(yīng)用。本文，我們報(bào)告了一種高低溫策略，用于在晶圓級(jí)可控生長(zhǎng)多層 vdW 超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)構(gòu) (vdWSH) 薄膜堆棧。vdWSH 中 2D 超導(dǎo)體的層數(shù)可以精確控制，我們已經(jīng)成功生長(zhǎng)了 27 個(gè)雙塊、15 個(gè)三塊、5 個(gè)四塊和 3 個(gè)五塊 vdWSH 薄膜（其中一個(gè)塊代表一種 2D 材料）。形態(tài)學(xué)、光譜學(xué)和原子級(jí)結(jié)構(gòu)分析表明，大規(guī)模存在平行、干凈且原子級(jí)鋒利的范德華界面，相鄰層之間的污染很少。完整的范德華界面使我們能夠在厘米級(jí)上實(shí)現(xiàn)近距離誘導(dǎo)超導(dǎo)和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)。我們制造多層范德華界面的工藝可以輕松推廣到涉及二維材料的其他情況，從而有可能加速下一代功能設(shè)備和應(yīng)用的設(shè)計(jì)22–24。
圖 1.由高溫到低溫策略引導(dǎo)的多塊 vdWSH 堆疊生長(zhǎng)。a，示意圖顯示了晶圓級(jí)四塊 vdWSH 薄膜通過四輪兩步氣相沉積生長(zhǎng)的過程，每輪都結(jié)合了一層金屬薄膜涂層和一層 TMDC 薄膜。b，TMDC 物種的排列遵循高溫到低溫策略，從 WS2 開始，因?yàn)檫@需要最高溫度。圖中顯示了石墨烯和 hBN 以供比較。如圖所示，此處制備的 TMDC 薄膜包含 2D 超導(dǎo)體、調(diào)諧超導(dǎo)體和近程誘導(dǎo)超導(dǎo)體。彩色條顯示了該過程每個(gè)部分所需的溫度方向。
圖2. 從高到低溫度策略的普遍性和晶圓級(jí) vdWSH 薄膜的均勻性。a，藍(lán)寶石上堆疊生長(zhǎng)的雙塊 vdWSH 的光學(xué)圖像，由底部的 1L MoS2 和頂部的 3L NbSe2 組成。比例尺，5 μm。原子模型：Mo，深藍(lán)色；S，黃色；Nb，淺藍(lán)色；Se，橙色。b，MoS2（黃色）NbSe2（紅色）、堆疊生長(zhǎng)的 1L MoS2\3L NbSe2 vdWSH 薄膜（藍(lán)色）、在 1L MoS2 上轉(zhuǎn)移（Tr）的 3L NbSe2 vdWSH 薄膜（綠色）和未遵循從高到低溫度策略生長(zhǎng)的 3L NbSe2\1L MoS2 vdWSH 薄膜的拉曼光譜。a.u.，任意單位。Eg，1L MoS2 的拉曼平面振動(dòng)模式； E2g，3L NbSe2 的平面內(nèi)模式；A1g，MoS2 和 NbSe2 的非平面模式。c，頂部，3L NbSe2\2L PtTe2 vdWSH 的典型 AFM 圖像。比例尺，2 μm。底部，該圖顯示了沿圖像中綠色虛線的相應(yīng)高度分布。d，在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的單個(gè) NbSe2 薄膜、堆疊生長(zhǎng)的 1L MoS2\3L NbSe2 薄膜、堆疊生長(zhǎng)的 3L NbSe2\2L PtTe2 薄膜和轉(zhuǎn)移的 3L NbSe2\2L PtTe2 薄膜的變溫電阻 R。R11 K 是在 11 K 溫度下的電阻。頂部插圖顯示了 NbSe2\PtTe2 vdWSH 薄膜的四探針電測(cè)量裝置。底部插圖是相應(yīng)的光學(xué)圖像；四個(gè)黑點(diǎn)代表電極。比例尺，0.5 mm。 e–g，在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的由 WS2（底部）、MoS2（中間）和 MoSe2（頂部）組成的三塊異質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶圓級(jí)多塊 vdWSH 膜的光學(xué)圖像（e），在頂部添加 NbSe2 后的四塊 vdWSH（f）以及在頂部添加 PtTe2 后的五塊 vdWSH（g）。標(biāo)尺上的數(shù)字表示厘米。
圖 3. 多塊 vdWSH 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。a，堆疊生長(zhǎng)的 1L WS2\1L MoSe2\2L NbSe2\2L PtSe2（共六層）的特寫橫截面 STEM 圖像。比例尺，5 納米。b，顯示強(qiáng)度分布（白線）的特寫橫截面 STEM 圖像。比例尺，1 納米。c，W、Mo、Nb、Pt、S 和 Se 的相應(yīng) EDS 元素映射。水平虛線之間的元素分布對(duì)應(yīng)于 b 中的原子結(jié)構(gòu)。d，由 1L WS2、1L MoS2、1L NbSe2 和 2L PtSe2（共五層）組成的薄 vdWSH 的典型橫截面 STEM 圖像。左側(cè)的白線是強(qiáng)度分布。右側(cè)顯示了 W、Mo、Nb、Pt、S 和 Se 的 EDS 強(qiáng)度光譜。比例尺，1 納米。e，在部分分離的 WS2\NbSe2 薄膜的厚度轉(zhuǎn)變區(qū)域獲得的典型平面內(nèi) STEM 圖像。右下角的插圖顯示了雙塊區(qū)域相應(yīng)的快速傅里葉變換圖案，扭曲角約為 0°。比例尺，1 納米。f，圖表顯示了堆疊生長(zhǎng)的 WS2\NbSe2、WS2\MoS2、WS2\MoSe2 和 MoS2\MoSe2 雙層中具有不同扭曲角的莫爾超晶格的比例。插圖顯示了具有不同扭曲角的莫爾超晶格的典型 STEM 圖像。比例尺，1 納米。
圖 4. 堆疊生長(zhǎng)的 vdWSH 薄膜的層間耦合。a，堆疊生長(zhǎng)的 NbSe2\PtTe2 薄膜的電阻溫度依賴性，其中 PtTe2 厚度不同。插圖顯示了電極設(shè)置。b，平面內(nèi)（藍(lán)色）和平面外（紅色）磁場(chǎng)下上臨界場(chǎng) Hc2 的溫度依賴性。實(shí)線是根據(jù) Ginzburg-Landau 理論擬合的。插圖是毫米級(jí) vdWSH 薄膜的典型光學(xué)圖像。比例尺，2 毫米。μ0，真空磁導(dǎo)率。c，4L NbSe2\2L MoSe2\4L NbSe2 薄膜中頂部和底部 4L NbSe2 的電阻溫度依賴性，以及頂部和底部 NbSe2 之間的結(jié)電阻。插圖顯示了 vdWSH 薄膜的四探針電測(cè)量裝置。 d、在 1.5 K 下測(cè)量的堆疊生長(zhǎng) 4L NbSe2\2L MoSe2\4L NbSe2 vdWSH 薄膜的 I-V 特性。箭頭表示電流的掃描方向。左側(cè)插圖顯示臨界電流 Ic1 的溫度依賴性。虛線按照Ambegaokar-Baratoff 關(guān)系擬合。右側(cè)插圖顯示在不同 B∥ 下測(cè)量的放大比例的 I-V 曲線。e，在 1.5 K 溫度下 4L NbSe2\2L MoSe2\4L NbSe2 的微分電阻對(duì)偏置電流 (IBias) 和 B∥ 的依賴關(guān)系。f，在大型 3L MoS2\4L WSe2 p-n 結(jié)中測(cè)量的不同 Vg 下的 IDS-VDS 曲線。頂部插圖是制造的器件的光學(xué)圖像，金屬觸點(diǎn)之間的間距為 1 毫米。比例尺，2 毫米。底部插圖顯示了雙探針電氣測(cè)量的裝置。S，源極；D，漏極。
相關(guān)科研成果由南京大學(xué)Libo Gao等人于2024年發(fā)表在Nature（https://doi.org/10.1038/s41586-023-06404-x）上。原文：Stack growth of wafer-scale van der Waals superconductor heterostructures
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06404-x
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
