北京理工大学团队在杂化范德华外延生长研究方向取得重要突破

近日，北京理工大学物理学院胡麟副研究员、郑法伟教授、姚裕贵教授研究团队，与北京计算科学研究中心黄兵研究员、北京大学沈波教授和杨学林研究员团队合作，结合多尺度计算方法和实验表征，作者提出在范德华衬底上生长氮化物外延层，例如石墨烯上的AlN，可能属于一种以前未知的模型，称为杂化范德华外延（HVE）。该创新成果发表在在《物理评论快报》杂志上，并被选为该杂志的编辑们推荐介绍。

凝聚态物理中新奇物理现象的研究和信息科学中电子器件的制备都极大依赖于高质量薄膜材料的制备。因此，如何在衬底上外延生长出高质量的薄膜材料是凝聚态物理、材料科学和表面化学等众多研究领域中长期存在的一个焦点问题。在长达将近一个世纪的研究基础上，人们逐步总结出三种普适的薄膜生长模型，它们被称之为FV (Frank-van der Merew)，VW (Volmer-Weber) 和SK (Stranski-Krastanow) 模型。FV模型描述的是一种面内生长模式。与之相反，VW模型则描述的是一种面外垂直生长模式。SK模型则是介于FV和VW之间的一种生长模式。在已知的这三种生长模型中，面内和面外生长是解耦的，它们可以描述几乎所有已知薄膜材料在衬底上的外延生长过程（图1）。最近，人们发现可以在二维范德华衬底上可以生长出高质量的非范德华氮化物半导体薄膜。这一突破性发现不但开启了一种全新的半导体生长模式，同时也引发了人们对其生长机制的激烈争论。

图1：不同生长模式

为揭开这一神秘的生长机制，研究团队以氮化铝薄膜生长在石墨烯上为例，利用多尺度的理论计算和连续介质模型推导，系统研究了氮化铝薄膜在平面内(图2)和垂直于平面方向（图3）生长动力学过程。有趣的是，他们发现氮化铝与石墨烯的界面存在一种新型的成键方式，即杂化范德华相互作用。这样一种独特的成键方式使得薄膜生长呈现出显著区别于传统模式的新范式，被命名为HVE模型。在HVE模型下，材料平面内和平面外的生长会较强的耦合在一起，并满足一定的物理约束条件，而这个约束条件也受到界面相互作用的影响。为了验证理论提出的这一新生长模型的可靠性，北京大学杨学林研究员等进行了实验验证，初步验证了该生长模式的可靠性（图4）。

图2：面内外延生长

图3：面外外延生长

图4：实验验证

这一发现不但为材料生长领域提供了一种全新的模型，同时也为进一步优化外延氮化物薄膜生长过程提供了理论基础，助力于其在后硅基信息时代发挥更加关键性的作用。北理工胡麟副研究员为论文第一作者和共同通讯作者，北京计算科学研究中心黄兵研究员和北京大学杨学林研究员为论文的共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金（面上项目）、国家重点研发计划、NSAF和北京理工大学青年人才启动项目等项目支持。

文章信息（*为通讯作者）：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).