近日，北京理工大學物理學院胡麟副研究員、鄭法偉教授、姚裕貴教授研究團隊，與北京計算科學研究中心黃兵研究員、北京大學沈波教授和楊學林研究員團隊合作，結(jié)合多尺度計算方法和實驗表征，作者提出在范德華襯底上生長氮化物外延層，例如石墨烯上的AlN，可能屬于一種以前未知的模型，稱為雜化范德華外延（HVE）。該創(chuàng)新成果發(fā)表在在《物理評論快報》雜志上，并被選為該雜志的編輯們推薦介紹。
凝聚態(tài)物理中新奇物理現(xiàn)象的研究和信息科學中電子器件的制備都極大依賴于高質(zhì)量薄膜材料的制備。因此，如何在襯底上外延生長出高質(zhì)量的薄膜材料是凝聚態(tài)物理、材料科學和表面化學等眾多研究領(lǐng)域中長期存在的一個焦點問題。在長達將近一個世紀的研究基礎(chǔ)上，人們逐步總結(jié)出三種普適的薄膜生長模型，它們被稱之為FV (Frank-van der Merew)，VW (Volmer-Weber) 和SK (Stranski-Krastanow) 模型。FV模型描述的是一種面內(nèi)生長模式。與之相反，VW模型則描述的是一種面外垂直生長模式。SK模型則是介于FV和VW之間的一種生長模式。在已知的這三種生長模型中，面內(nèi)和面外生長是解耦的，它們可以描述幾乎所有已知薄膜材料在襯底上的外延生長過程（圖1）。最近，人們發(fā)現(xiàn)可以在二維范德華襯底上可以生長出高質(zhì)量的非范德華氮化物半導體薄膜。這一突破性發(fā)現(xiàn)不但開啟了一種全新的半導體生長模式，同時也引發(fā)了人們對其生長機制的激烈爭論。
圖1：不同生長模式
為揭開這一神秘的生長機制，研究團隊以氮化鋁薄膜生長在石墨烯上為例，利用多尺度的理論計算和連續(xù)介質(zhì)模型推導，系統(tǒng)研究了氮化鋁薄膜在平面內(nèi)(圖2)和垂直于平面方向（圖3）生長動力學過程。有趣的是，他們發(fā)現(xiàn)氮化鋁與石墨烯的界面存在一種新型的成鍵方式，即雜化范德華相互作用。這樣一種獨特的成鍵方式使得薄膜生長呈現(xiàn)出顯著區(qū)別于傳統(tǒng)模式的新范式，被命名為HVE模型。在HVE模型下，材料平面內(nèi)和平面外的生長會較強的耦合在一起，并滿足一定的物理約束條件，而這個約束條件也受到界面相互作用的影響。為了驗證理論提出的這一新生長模型的可靠性，北京大學楊學林研究員等進行了實驗驗證，初步驗證了該生長模式的可靠性（圖4）。
圖2：面內(nèi)外延生長
圖3：面外外延生長
圖4：實驗驗證
這一發(fā)現(xiàn)不但為材料生長領(lǐng)域提供了一種全新的模型，同時也為進一步優(yōu)化外延氮化物薄膜生長過程提供了理論基礎(chǔ)，助力于其在后硅基信息時代發(fā)揮更加關(guān)鍵性的作用。北理工胡麟副研究員為論文第一作者和共同通訊作者，北京計算科學研究中心黃兵研究員和北京大學楊學林研究員為論文的共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金（面上項目）、國家重點研發(fā)計劃、NSAF和北京理工大學青年人才啟動項目等項目支持。
