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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院胡麟副研究員、鄭法偉教授、姚裕貴教授研究團(tuán)隊(duì)，與北京計算科學(xué)研究中心黃兵研究員、北京大學(xué)沈波教授和楊學(xué)林研究員團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合多尺度計算方法和實(shí)驗(yàn)表征，作者提出在范德華襯底上生長氮化物外延層，例如石墨烯上的AlN，可能屬于一種以前未知的模型，稱為雜化范德華外延（HVE）。該創(chuàng)新成果發(fā)表在在《物理評論快報》雜志上，并被選為該雜志的編輯們推薦介紹。

凝聚態(tài)物理中新奇物理現(xiàn)象的研究和信息科學(xué)中電子器件的制備都極大依賴于高質(zhì)量薄膜材料的制備。因此，如何在襯底上外延生長出高質(zhì)量的薄膜材料是凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)和表面化學(xué)等眾多研究領(lǐng)域中長期存在的一個焦點(diǎn)問題。在長達(dá)將近一個世紀(jì)的研究基礎(chǔ)上，人們逐步總結(jié)出三種普適的薄膜生長模型，它們被稱之為FV (Frank-van der Merew)，VW (Volmer-Weber) 和SK (Stranski-Krastanow) 模型。FV模型描述的是一種面內(nèi)生長模式。與之相反，VW模型則描述的是一種面外垂直生長模式。SK模型則是介于FV和VW之間的一種生長模式。在已知的這三種生長模型中，面內(nèi)和面外生長是解耦的，它們可以描述幾乎所有已知薄膜材料在襯底上的外延生長過程（圖1）。最近，人們發(fā)現(xiàn)可以在二維范德華襯底上可以生長出高質(zhì)量的非范德華氮化物半導(dǎo)體薄膜。這一突破性發(fā)現(xiàn)不但開啟了一種全新的半導(dǎo)體生長模式，同時也引發(fā)了人們對其生長機(jī)制的激烈爭論。

圖1：不同生長模式

為揭開這一神秘的生長機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)以氮化鋁薄膜生長在石墨烯上為例，利用多尺度的理論計算和連續(xù)介質(zhì)模型推導(dǎo)，系統(tǒng)研究了氮化鋁薄膜在平面內(nèi)(圖2)和垂直于平面方向（圖3）生長動力學(xué)過程。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)氮化鋁與石墨烯的界面存在一種新型的成鍵方式，即雜化范德華相互作用。這樣一種獨(dú)特的成鍵方式使得薄膜生長呈現(xiàn)出顯著區(qū)別于傳統(tǒng)模式的新范式，被命名為HVE模型。在HVE模型下，材料平面內(nèi)和平面外的生長會較強(qiáng)的耦合在一起，并滿足一定的物理約束條件，而這個約束條件也受到界面相互作用的影響。為了驗(yàn)證理論提出的這一新生長模型的可靠性，北京大學(xué)楊學(xué)林研究員等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，初步驗(yàn)證了該生長模式的可靠性（圖4）。

圖2：面內(nèi)外延生長

圖3：面外外延生長

圖4：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

這一發(fā)現(xiàn)不但為材料生長領(lǐng)域提供了一種全新的模型，同時也為進(jìn)一步優(yōu)化外延氮化物薄膜生長過程提供了理論基礎(chǔ)，助力于其在后硅基信息時代發(fā)揮更加關(guān)鍵性的作用。北理工胡麟副研究員為論文第一作者和共同通訊作者，北京計算科學(xué)研究中心黃兵研究員和北京大學(xué)楊學(xué)林研究員為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（面上項(xiàng)目）、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、NSAF和北京理工大學(xué)青年人才啟動項(xiàng)目等項(xiàng)目支持。

文章信息（*為通訊作者）：Lin Hu*, Danshuo Liu, Fawei Zheng, Xuelin Yang*, Yugui Yao, Bo Shen, and Bing Huang*. Hybrid van der Waals Epitaxy. Physical Review Letters, 133(4), 046102 (2024) (Editors’ Suggestion).

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.046102