近期，南京大学物理学院高力波教授课题组和南方科技大学林君浩副教授课题组紧密合作，在制备二维材料上取得重要成果，为二维材料在规模化功能器件方面的应用奠定了材料制备的基础。该工作以“Stack growth of wafer-scale van der Waals superconductor heterostructures”为题，于9月6日在Nature期刊上在线发表。截至目前，南京大学今年在国际顶级学术期刊Nature和Science上发表的成果已达10篇！

该工作由南京大学和南方科技大学共同完成，南京大学为第一单位。南京大学周振佳博士与南方科技大学侯福臣博士为本论文的共同第一作者；南京大学高力波教授、徐洁博士和南方科技大学林君浩副教授为论文共同通讯作者；该工作的合作者还包括南京大学奚啸翔教授、袁国文博士、博士生黄贤雷、付梓豪、刘伟林和南方科技大学王刚博士。该工作的开展和完成得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、江苏省杰青项目、霍英东青年教师基金、博新计划、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等经费资助和大力支持。

二维范德华异质结（2D vdWH）不依赖于化学键、不受限于晶格匹配度，可以灵活地将多种材料堆叠组装在一起，被认为是探索新颖物理现象、实现多功能器件的最具潜力材料组合方式，因而受到广泛关注。其中，二维超导材料范德华异质结（vdWSH）的可控制备是构建二维超导约瑟夫森结、探索马约拉纳费米子以及实现超导量子元件应用的重要前提。然而，二维超导材料对环境十分敏感，目前很难将晶圆级的二维超导材料完整地堆叠成vdWH，因此极大地限制了此类量子器件的应用和发展。

针对这一问题，南京大学高力波教授课题组提出了一种新的“由高到低”的生长策略，即以制备较高温度稳定性的二维材料为底层材料，在其上稳定温度稍低的二维材料，从而实现逐层堆叠生长vdWH。遵循“由高到低”的生长策略，制备的vdWSH薄膜的相邻层之间并未发生化学反应，二维超导材料可以被完整地集成到异质结中且保持其超导性能不变。此外，得益于本方法的优越性，研究团队实现异质结薄膜的直接图案化生长，并且对生长基体不存在依赖性。他们通过扫描透射电子显微镜（STEM）的剖面观测，发现这一系列堆垛生长的vdWSH具有清晰的范德华界面以及完整的原子结构。

值得注意的是，与以往报道的制备方法不同，这种制备方法极大地展现了范德华异质结的灵活性，所制备的vdWSH薄膜中的二维超导材料可以按照特定顺序进行组合，如同堆叠原子乐高一般。遵循“由高到低”的生长策略，该团队已经成功实现了将27种二组元、15种三组元、5种四组元和3种五组元二维材料组成的异质结，超过20组由多种材料构成的异质薄膜的制备均是首次被报道。同时，堆垛其中的每种二维材料的层数都能够精确可控。这一系列的二维材料范德华异质结的成功制备为后续的物性研究和器件制造提供了丰富的超导异质结材料库和有效的制备方法。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06404-x

来源：南京大学

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