Ван-дер-ваальсовы гетероструктуры

Ван-дер-ваальсовы гетероструктуры представляют собой искусственно сформированные многослойные материалы, где отдельные двумерные кристаллы, обладающие толщиной в один или несколько атомных слоев, укладываются друг на друга посредством слабых межслоевых взаимодействий ван-дер-ваальсового типа. В отличие от традиционных полупроводниковых гетероструктур, где решеточная согласованность играет ключевую роль, в таких системах жесткие требования к совпадению постоянных решетки отсутствуют. Это открывает возможность комбинировать материалы с совершенно различными электронными и оптическими свойствами, формируя функциональные структуры с уникальными характеристиками.

Слои и типы используемых материалов

В основе гетероструктур лежат двумерные материалы:

• Графен – полуметалл с линейным спектром квазичастиц (вейлевскими фермионами), высокой подвижностью носителей и отсутствием запрещенной зоны.
• Дисульфид молибдена (MoS₂), диселенид вольфрама (WSe₂) и другие дихалькогениды переходных металлов (ДХПМ) – полупроводники с широкой запрещенной зоной, проявляющие сильные спин-орбитальные взаимодействия и ярко выраженные экситонные эффекты.
• Гексагональный нитрид бора (h-BN) – диэлектрик с большой шириной запрещенной зоны, часто используемый в качестве подложки и изоляционного слоя благодаря своей химической инертности и идеальной кристалличности.
• Черный фосфор (фосфорен) – полупроводник с анизотропными транспортными свойствами.

Комбинируя эти материалы в определенной последовательности, можно получать структуры, обладающие новыми электронными и оптическими режимами.

Межслоевые взаимодействия и роль ван-дер-ваальсовых сил

Связывание слоев осуществляется силами ван-дер-ваальсовой природы, возникающими в результате корреляции мгновенных дипольных флуктуаций. Эти взаимодействия достаточно слабы, чтобы избежать серьезных искажений решетки при комбинации различных кристаллов, но в то же время достаточно прочны, чтобы обеспечить стабильность всей многослойной конструкции.

Кроме того, важнейшую роль играет вращение и относительная ориентация слоев. При изменении угла поворота между соседними слоями формируются муаровые сверхрешетки, приводящие к изменению электронных спектров, возникновению зонных щелей и даже к формированию сильно коррелированных фаз вещества.

Эффекты муаровых сверхструктур

Муаровые узоры возникают, когда два слоя с близкими постоянными решетки наложены с небольшим углом поворота. Их роль особенно ярко проявляется в системах «двойного графена».

• При определенных «магических углах» (например, около 1,1°) в билойере графена формируется плоская зона, где кинетическая энергия электронов сильно подавлена.
• Это ведет к доминированию кулоновских взаимодействий, вследствие чего наблюдаются необычные квантовые состояния: сверхпроводимость, ферромагнетизм, изоляционные состояния типа Мотта.
• Подобные эффекты открыли новое направление исследований — так называемую «твист-инженерию» (twistronics), где контроль угла поворота слоев становится инструментом управления электронными свойствами.

Электронные свойства и новые фазы

Комбинация различных двумерных материалов позволяет создавать структуры с предопределенными функциональными свойствами:

• Туннельные структуры – графеновые слои, разделенные тонкой прослойкой h-BN, демонстрируют резонансное туннелирование и отрицательное дифференциальное сопротивление.
• Гетероструктуры графен/ДХПМ – обеспечивают сильную спин-орбитальную связь, недоступную в чистом графене.
• ДХПМ/DХПМ-гетеропары – образуют гетеропереходы типа II, где носители разделяются по слоям, что увеличивает время жизни экситонов и формирует условия для наблюдения межслоевых экситонов.

В таких системах возможна реализация поляритонных состояний, сильного взаимодействия света и материи, а также новых типов квантовых точек и лазеров.

Оптические явления

Оптическая спектроскопия играет важнейшую роль в изучении ван-дер-ваальсовых гетероструктур. Наиболее характерные эффекты:

• Интерференция межслоевых экситонов – когерентные состояния, возникающие благодаря разделению электронов и дырок по разным слоям.
• Регулировка запрещенной зоны электрическим полем – за счет изменения относительного положения энергетических зон соседних слоев.
• Поляритонные режимы в муаровых структурах – возникающие благодаря сильной связи фотонов с межслоевыми экситонами.

Транспортные свойства

Транспорт в таких системах определяется одновременно межслоевым туннелированием и когерентностью носителей. Среди ключевых наблюдаемых эффектов:

• Баллистический транспорт в графене на подложке h-BN – благодаря подавлению рассеяния на дефектах.
• Туннельные резонансы в вертикальных транзисторах – с возможностью регулировки тока за счет электрического поля.
• Сильно коррелированные состояния при низких температурах – такие как квантовый эффект Холла и необычные магнитные упорядочения в муаровых графеновых структурах.

Перспективы и применение

Ван-дер-ваальсовы гетероструктуры открывают широкие возможности для создания новых поколений наноэлектронных и оптоэлектронных устройств:

• ультратонкие транзисторы и интегральные схемы;
• фотодетекторы с высокой чувствительностью в широком спектральном диапазоне;
• энергоэффективные светодиоды и лазеры на основе межслоевых экситонов;
• квантовые устройства на основе коррелированных фаз;
• платформы для гибридных квантовых технологий, включая спинтронику и valley-тронику.

Таким образом, ван-дер-ваальсовы гетероструктуры представляют собой фундаментальный инструмент исследования и управления новыми состояниями материи, находящийся на стыке конденсированной материи, квантовой оптики и наноэлектроники. Они демонстрируют, как комбинация элементарных двумерных блоков может привести к появлению новых свойств, отсутствующих в исходных материалах.