研究背景
近年来，二维材料（2D materials）因其独特的物理和电子特性，在材料科学领域引发了广泛的关注。这些材料，如石墨烯和过渡金属二硫化物（TMDs），通过原子层的厚度展现出与传统三维材料截然不同的特性，特别是在量子现象和电子传输方面。范德华异质结构（Van der Waals heterostructures），通过将不同的二维材料逐层堆叠，可以产生一系列新颖的电子和光学效应，这在新型电子器件、光子学和量子计算领域拥有广泛应用前景。然而，这些异质结构中的缺陷（如界面杂质和晶体缺陷）会严重影响其电子传输性能，限制器件的效率和表现。因此，如何通过工程手段减少或消除这些缺陷，构建超低缺陷的范德华异质结构，成为推动未来高性能电子器件和量子技术发展的关键挑战。
在这篇综述文章中，来自NYU的研究团队系统地讨论了近年来在超低缺陷范德华异质结构构建中的重要技术进展。他们尤其关注了一些新兴的工程工具包，这些工具在提升材料纯度、减少界面杂质和改善异质结构堆叠的精度方面发挥了关键作用。通过这些工具的使用，研究人员可以更加精确地控制二维材料的堆叠过程，从而提升异质结构的整体质量，减小材料中的固有缺陷。
研究亮点
1. 二维材料在范德华异质结构中的重要性：
作者首先阐述了二维材料，如石墨烯、六方氮化硼（hBN) 和 TMDs，在构建范德华异质结构中的核心作用。这些材料由于其优异的电子和机械性能，成为构建超薄电子器件的理想选择。然而，材料中的缺陷和界面杂质依然是影响性能的主要障碍，尤其是在研究电子传输和量子效应时，缺陷带来的杂散效应会极大降低器件的效率。
图1: 二维材料与量子效应
2.现有技术的挑战：
当前常用的二维材料制备和异质结构组装技术面临着一些关键的挑战。例如，尽管机械剥离法是获得高质量二维材料的常用方法，但在材料剥离过程中难以避免材料表面的残留杂质。此外，异质结构堆叠时的界面处理技术依然有限，导致层与层之间的晶体对齐难度较大，从而产生界面缺陷。这些问题的存在极大限制了材料在高精度电子器件中的应用。
图2: 改进剥离方法
3.新兴工具包和技术进展：
文章介绍了一些最近发展起来的先进工具和技术，如改进的剥离方法，通过优化剥离工艺减少材料表面的杂质残留，从而提高材料的纯净度。此外，界面清洁技术的进步使得研究人员能够在材料堆叠前彻底清洁材料表面，确保更好的界面对齐和减少晶体缺陷。例如，使用惰性气体环境和原子级表面处理技术，可以显著减少材料表面杂质对界面质量的影响。
在构建复杂结构方面，作者讨论了如何通过这些工具实现摩尔超晶格等具有精确原子对齐的复杂结构。这类结构中，二维材料的不同晶体周期的相互作用可以产生新的物理现象，如新型超导态或拓扑绝缘态，进一步推动了量子材料研究的发展。
图3: 界面清洁方法
总结展望
作者指出，随着这些工程技术的不断成熟，构建高质量、低缺陷的范德华异质结构将成为推动新型电子器件和量子技术的核心动力。例如，在二维晶体管、量子点和拓扑绝缘体等新型器件中，材料的高纯度和缺陷控制可以极大提升器件的性能和可靠性。此外，这些技术的进步还有助于开发超导材料和高效能光子器件，为未来的电子器件和量子计算提供更高的效率和稳定性。
原文详情：
Huang, Zhujun, and Davood Shahrjerdi. “Advances in Engineering Toolkits for Construction of Ultralow Disordered Van der Waals Heterostructures.”Advanced Functional Materials (2024). https://doi.org/10.1002/adfm.202314439
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