第一作者：Kaiyao Xin, Lian Li, Ziqi Zhou
量子點（QDs）具有離散能級、可調電子結構和強大的光子-電子相互作用，在非線性光學、半導體激光器、光電檢測和量子計算等多個領域引起廣泛關注。這些應用場景中QDs的效率取決于它們的組成、形態和界面特性。特別是，QDs的組成決定了它們為特定應用提供的功能，而形態調節了電子結構和能級。此外，QDs與其基底之間的界面在電子-聲子相互作用和電荷傳輸過程中起著至關重要的作用。因此，合成具有可定制組成、可控形態和內在界面特性的QDs對于滿足各種應用的多樣化需求至關重要。
本文提出了一種范德瓦爾斯（vdW）外延策略，通過調節vdW表面和QDs之間的界面耦合來生長本征QDs。所制備的多種III-V（MX, M=Ga, In; X=As, Sb）和IV-VI（SnTe）QDs，無需考慮晶格失配限制，從而獲得了具有更多本征特性的QDs。
進一步證明了生長的InSb QDs/MoS2在近紅外區域顯示出寬的光響應，這是由于它們vdW界面上高效的電荷傳輸通道。本工作報告了一種全固態外延QDs的合成路線，這可能擴大QDs的光電子應用，超出了傳統生長方法的范圍。
圖1：在MoS2表面上通過vdW外延生長InSb QDs。
圖2：通過理論模擬展示InSb QDs在MoS2表面上vdW外延生長的機理。
圖3：在FL mica片上生長的InAs QDs的晶圓級制備。
圖4：在不同vdW基底（hBN、FL mica、MoS2和石墨烯）上生長的III-V和IV-VI QDs的通用制備過程。
圖5：InSb QDs/MoS2異質結構的光探測性能。
本研究展示了通過使用2D范德瓦爾斯材料的vdW表面作為基底，實現了高度可控的QDs生長，這些QDs具有擴展的組成范圍。基于QD與基底之間的適度和可調節的耦合，該方法使得QDs不受相干外延的限制、應力的影響以及外部化學污染。
此外，通過優化III-V QD形態和構建多層異質結構等補充技術，也需要進一步開發。理論上，任何vdW表面都可以生長非層狀穩定相的QDs。QDs與2D層狀材料的結合形成了內在的vdW界面，并產生了有效的電荷傳輸通道，為研究混合維度異質結構提供了新的平臺，并擴大了低維量子系統的潛在應用。
標題：Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces
DOI：10.1038/s44160-024-00562-0
翟慎強，中國科學院半導體研究所研究員，中國科學院青促會會員，國家自然科學基金委優秀青年基金獲得者。長期從事中遠紅外半導體量子級聯激光器（QCL）的材料外延生長、器件物理及其應用研究。
魏鐘鳴，中國科學院半導體研究所研究員，博士生導師，中國科學院大學崗位教授。長期從事新型低維半導體材料與器件的研究工作，主要研究方向：低維半導體材料（二維原子晶體、分子晶體等）的設計與生長；低維半導體器件（偏振光探測器、輸運器件等）的構筑與測試。
劉峰奇，中國科學院半導體研究所研究員，博士生導師。現任半導體材料科學重點實驗室主任。2005年國家杰出青年科學基金獲得者，2007年新世紀百千萬人才工程國家級人選。曾獲國家自然科學獎二等獎2次、中國科學院自然科學一等獎1次、教育部科技進步一等獎1次。
劉燦，中國人民大學物理系研究員/副教授，主要研究方向為低維材料的表界面調控及納米光譜學研究。具體包括：(1)低維材料生長動力學與熱力學調控；(2)晶圓級二維單晶外延制造；(3)低維材料超高靈敏度納米光譜學技術；(4)表面耦合物理及光學器件。
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