一種逐層構(gòu)建材料的新方法：分子束外延

“如果剛好有恰當(dāng)?shù)膶訝罱Y(jié)構(gòu)，我們可以用它們來做什么？如果我們真的能依我們所想的方式去排列原子，材料的性質(zhì)會是什么？”

這些問題是美國物理學(xué)家理查德·費曼于1959年在他具有里程碑意義的演講《底部還有很大空間（There’s Plenty of Room at the Bottom）》中提到的。這篇演講充滿了使用量子力學(xué)“在原子尺度上操縱和控制事物”的深刻思想。

○1959年12月29日，費曼在加州理工發(fā)表了著名的演講《底部還有很大空間》，并首次提出了“納米科技”的概念。

在當(dāng)時看來，這些想法未免牽強；而現(xiàn)在，操縱原子層已成為一個主要的研究領(lǐng)域。為了實現(xiàn)費曼的愿景，IBM和美國貝爾實驗室的研究人員已經(jīng)設(shè)計出一種逐層構(gòu)建材料的新方法：分子束外延（MBE）。

這就好比是用原子進行噴涂。首先，你要汽化純度很高的源材料，如鎵、鋁或銦，并將它們與砷或磷混合。汽化過的原子通過真空室后飛向由類似材料制成的基礎(chǔ)層。原子會粘到上面，以每次一個原子層的速率慢慢形成一個晶體。超高真空確保了最低的雜質(zhì)含量。

原子的構(gòu)建師

雖然這個過程相對較慢——通常每分鐘只能添加幾個原子層，但精度卻非常高。它使得技術(shù)人員可以將不同的半導(dǎo)體材料堆疊在一起，形成一種名為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的晶體，這種晶體具有非常有用的特性。例如，通過交替地堆疊砷化鋁層和砷化鎵層，就可以生產(chǎn)出非常適用于儲存電力的材料。

這種技術(shù)在1990年代和2000年代得到完善后，科學(xué)家就能控制特定晶體中的電子數(shù)量以及它們的能量。而且，由于光會與這些電子相互作用，對電子行為有更多的控制意味著我們可以更好地控制它們被光激發(fā)的方式。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了許多的新發(fā)現(xiàn)，特別是與粒子——例如結(jié)構(gòu)中的電子——有關(guān)的量子行為。它贏得過5次（1973、1985、1998、2000和2014年）諾貝爾物理學(xué)獎，可以說，由此而生的材料徹底改變了人類文明。

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)讓太陽能電池、LED、激光器和超快晶體管變成現(xiàn)實。如果沒有它，甚至互聯(lián)網(wǎng)都是不可能存在的：用來發(fā)送編碼在線信息位的光脈沖的激光，就是用異質(zhì)結(jié)構(gòu)制成的，測量這些光脈沖和解碼這些信息的光電探測器也是如此。

盡管如此，異質(zhì)結(jié)構(gòu)還是存在一些限制。它們的原子尺寸、間距和排列在沒有缺陷的層之間不能太不相似。這就限制了材料組合的可能以及自由設(shè)計的電子和光學(xué)性質(zhì)的潛力。

此外，通常晶體能自然得由可以在三個方向上全部形成鍵的原子構(gòu)成。這意味著在邊緣處，總會有未被完全滿足的原子而出現(xiàn)“懸空”的鍵。外來雜質(zhì)會找到這些鍵，并產(chǎn)生可破壞其他性質(zhì)的缺陷。對于較小的晶體這尤為重要，因為這會阻礙它們充分地融入到現(xiàn)代晶體管和激光器等器件之中。

進入二維晶體世界

超薄材料的終極厚度是只有單層原子。幸運的是，大自然就設(shè)計出了這種“二維晶體”。最著名的便是石墨烯，它是由碳原子排列成的六邊形。

○石墨烯是一種以碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。| 圖片來源：Olive Tree

石墨烯比鋼還要強，比銅還能更好地導(dǎo)電。它具有許多獨特且奇異的電子、光學(xué)和機械特性，正如2010年諾貝爾物理學(xué)獎所授予的發(fā)現(xiàn)那樣。

在完美的石墨烯晶體中，所有的原子都會彼此成鍵，不存在懸空鍵。我們極有可能通過使用透明膠帶來剝離石墨層，從而產(chǎn)生石墨烯：石墨實際上是多層的石墨烯，它們通過范德華力維持在一起，這比石墨烯的每個構(gòu)成層中的鍵要弱得多。

除石墨烯外，還有許多其他的二維晶體，每一種都具有其獨特的性質(zhì)。有幾種能天然地存在于地下的寶石中，例如工業(yè)中的一種重要潤滑劑——二硫化鉬。其他的二維晶體可通過分子束外延法進行制備，例如絕緣體一氮化硼，以及在與過渡金屬二硫化物（如二硫化鉬）相同一族中的晶體。

就像石墨烯之于石墨一樣，科學(xué)家從大量的這些化合物中“剝離”出單片的二維薄片。這些薄片的固有薄度意味著它們的行為能表現(xiàn)得與前面描述過的異質(zhì)結(jié)構(gòu)完全不同。不同級別的原子級薄度可以產(chǎn)生絕緣材料、半導(dǎo)體材料、金屬材料、磁性材料或者甚至是超導(dǎo)材料。

科學(xué)家還可以隨意地對這些材料進行挑選、放置以及組合，以形成新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，稱為范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，它具有與二維薄片材料不同的性質(zhì)。至關(guān)重要的是，與通過分子束外延法制造而成的的異質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，它們并沒有那樣的局限性。它們能包含非常不同的原子晶體層，從而有無限的可能組合出前所未有的不同材料。

例如，它可以將磁性層與半導(dǎo)體還有絕緣體在不吸收水分或氧化物等污染物的情況下結(jié)合起來——這對外延的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是不可能的。這可被用于創(chuàng)建使用電力來控制磁力的設(shè)備，也是硬盤中磁存儲器的基礎(chǔ)。

我們還可以將兩個相同的原子層以稍微錯開的角度堆疊在一起（如下圖）。這樣就形成了一種被稱為莫列波紋（moiré pattern）的晶格，這為設(shè)計材料的電子和光學(xué)特性又提供了新的自由度。

○圖片來源：University of Heriot-Watt

雖然范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍處于初步階段，但已經(jīng)出現(xiàn)了許多因它而起的令人印象深刻的新物理和新潛能。其中包括更小、更輕便、更靈活以及更有效的太陽能電池、LED、晶體管和磁存儲器。

在未來，我們期待會出現(xiàn)在過去意料不到的驚喜。最近的一項發(fā)現(xiàn)就是很好的例子，當(dāng)我們將兩層石墨烯以一個特定的“魔角”彼此扭轉(zhuǎn)時，電子就會變成超導(dǎo)（詳見：《石墨烯研究的意外發(fā)現(xiàn)》）。這項我們尚無法徹底理解的突破，可以解開這個已經(jīng)長達30年前之久的奧秘——即電子是如何在不損失任何能量的情況下引出超導(dǎo)體的。它還可能讓我們能在室溫下使用超導(dǎo)體，這對醫(yī)療成像、量子計算機、以及長距離的電力傳輸都具有潛在的益處。

但是，預(yù)測技術(shù)革新帶來的后果并非易事。正如在2000年因?qū)雽?dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展應(yīng)用于高速光電子元件中，而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的赫伯特·克羅默（Herbert Kroemer）常常說的那樣：“任何足夠新穎和創(chuàng)新技術(shù)的主要應(yīng)用，始終并終將繼續(xù)是這項技術(shù)創(chuàng)造的應(yīng)用?！?/p>