半導體量子點（QD）以其顯著的量子限制效應和可調(diào)的能級結(jié)構(gòu)，成為構(gòu)筑新一代信息器件的重要材料，在高性能光電子、單電子存儲和單光子器件等方面具有重要應用價值。半導體量子點材料的制備和以其為基礎(chǔ)的新型信息器件是信息科技前沿研究的熱點。

近期，在中國科學院半導體研究所王占國院士的指導下，劉峰奇研究員團隊等在量子點異質(zhì)外延的研究方面取得重要進展。研究團隊以二維材料為外延襯底，基于分子束外延技術(shù)，發(fā)展出范德華外延（van der Waals epitaxy）制備量子點材料（如圖1）的新方案。

圖1 InSb量子點在MoS2表面的范德華外延生長

層狀結(jié)構(gòu)的二維材料表面沒有懸掛鍵，表面能低。因此在遠離熱平衡的超高真空條件下，具備閃鋅礦、纖鋅礦等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的材料在其表面生長時，在總自由能最小的驅(qū)動下，原子沉積在二維材料上，將傾向于裸露出更多襯底，同時將自身的原子更多地包裹進體內(nèi)，以降低表面自由能，從而實現(xiàn)量子點的生長。反射式高能電子衍射（RHEED）的原位生長監(jiān)測顯示，量子點的范德華外延生長為非共格外延模式，區(qū)別于S-K生長模式，襯底和量子點材料的晶格常數(shù)沒有適配關(guān)系，從而大大提高了襯底和量子點材料組合的自由度，呈現(xiàn)出普適特性；同時，二維材料的面內(nèi)對稱性對量子點材料的晶格取向具有誘導作用。二維材料各異的表面性質(zhì)則為量子點的形貌調(diào)控提供了新的自由度（如圖2）。

圖2 量子點范德華外延生長方法的普適

基于該方案，研究團隊成功在4種二維材料（hBN、FL mica、MoS?、graphene）上制備了5種不同的量子點，包括4種III-V族的化合物半導體InAs、GaAs、InSb、GaSb和1種IV-VI族的化合物半導體SnTe，襯底和量子點組合共計20種。量子點種類受限于分子束外延（MBE）源材料種類，而非襯底，證實了外延方案的普適特性。研究團隊在晶圓級尺度上完成了量子點的范德華外延制備，呈現(xiàn)出較好的尺寸均勻性和分布均勻性，且在較小的襯底溫度范圍內(nèi)可以實現(xiàn)量子點密度4個數(shù)量級的變化。

此外，研究團隊通過制備光電探測器，拓寬了器件的響應光譜范圍，證實了在范德華外延制備的0D/2D混維異質(zhì)結(jié)中界面載流子的有效輸運。該外延方案天然構(gòu)筑的量子點/二維材料體系為研究混維異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個新平臺，將有助于拓寬低維量子系統(tǒng)的潛在應用。

審核編輯：彭菁