一种逐层构建材料的新方法：分子束外延

“如果刚好有恰当的层状结构，我们可以用它们来做什么？如果我们真的能依我们所想的方式去排列原子，材料的性质会是什么？”

这些问题是美国物理学家理查德·费曼于1959年在他具有里程碑意义的演讲《底部还有很大空间（There’s Plenty of Room at the Bottom）》中提到的。这篇演讲充满了使用量子力学“在原子尺度上操纵和控制事物”的深刻思想。

○ 1959年12月29日，费曼在加州理工发表了著名的演讲《底部还有很大空间》，并首次提出了“纳米科技”的概念。

在当时看来，这些想法未免牵强；而现在，操纵原子层已成为一个主要的研究领域。为了实现费曼的愿景，IBM和美国贝尔实验室的研究人员已经设计出一种逐层构建材料的新方法：分子束外延（MBE）。

这就好比是用原子进行喷涂。首先，你要汽化纯度很高的源材料，如镓、铝或铟，并将它们与砷或磷混合。汽化过的原子通过真空室后飞向由类似材料制成的基础层。原子会粘到上面，以每次一个原子层的速率慢慢形成一个晶体。超高真空确保了最低的杂质含量。

原子的构建师

虽然这个过程相对较慢——通常每分钟只能添加几个原子层，但精度却非常高。它使得技术人员可以将不同的半导体材料堆叠在一起，形成一种名为异质结构的晶体，这种晶体具有非常有用的特性。例如，通过交替地堆叠砷化铝层和砷化镓层，就可以生产出非常适用于储存电力的材料。

这种技术在1990年代和2000年代得到完善后，科学家就能控制特定晶体中的电子数量以及它们的能量。而且，由于光会与这些电子相互作用，对电子行为有更多的控制意味着我们可以更好地控制它们被光激发的方式。

异质结构导致了许多的新发现，特别是与粒子——例如结构中的电子——有关的量子行为。它赢得过5次（1973、1985、1998、2000和2014年）诺贝尔物理学奖，可以说，由此而生的材料彻底改变了人类文明。

半导体异质结构让太阳能电池、LED、激光器和超快晶体管变成现实。如果没有它，甚至互联网都是不可能存在的：用来发送编码在线信息位的光脉冲的激光，就是用异质结构制成的，测量这些光脉冲和解码这些信息的光电探测器也是如此。

尽管如此，异质结构还是存在一些限制。它们的原子尺寸、间距和排列在没有缺陷的层之间不能太不相似。这就限制了材料组合的可能以及自由设计的电子和光学性质的潜力。

此外，通常晶体能自然得由可以在三个方向上全部形成键的原子构成。这意味着在边缘处，总会有未被完全满足的原子而出现“悬空”的键。外来杂质会找到这些键，并产生可破坏其他性质的缺陷。对于较小的晶体这尤为重要，因为这会阻碍它们充分地融入到现代晶体管和激光器等器件之中。

进入二维晶体世界

超薄材料的终极厚度是只有单层原子。幸运的是，大自然就设计出了这种“二维晶体”。最著名的便是石墨烯，它是由碳原子排列成的六边形。

○ 石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。| 图片来源：Olive Tree

石墨烯比钢还要强，比铜还能更好地导电。它具有许多独特且奇异的电子、光学和机械特性，正如2010年诺贝尔物理学奖所授予的发现那样。

在完美的石墨烯晶体中，所有的原子都会彼此成键，不存在悬空键。我们极有可能通过使用透明胶带来剥离石墨层，从而产生石墨烯：石墨实际上是多层的石墨烯，它们通过范德华力维持在一起，这比石墨烯的每个构成层中的键要弱得多。

除石墨烯外，还有许多其他的二维晶体，每一种都具有其独特的性质。有几种能天然地存在于地下的宝石中，例如工业中的一种重要润滑剂——二硫化钼。其他的二维晶体可通过分子束外延法进行制备，例如绝缘体一氮化硼，以及在与过渡金属二硫化物（如二硫化钼）相同一族中的晶体。

就像石墨烯之于石墨一样，科学家从大量的这些化合物中“剥离”出单片的二维薄片。这些薄片的固有薄度意味着它们的行为能表现得与前面描述过的异质结构完全不同。不同级别的原子级薄度可以产生绝缘材料、半导体材料、金属材料、磁性材料或者甚至是超导材料。

科学家还可以随意地对这些材料进行挑选、放置以及组合，以形成新的异质结构，称为范德华异质结构，它具有与二维薄片材料不同的性质。至关重要的是，与通过分子束外延法制造而成的的异质结构不同，它们并没有那样的局限性。它们能包含非常不同的原子晶体层，从而有无限的可能组合出前所未有的不同材料。

例如，它可以将磁性层与半导体还有绝缘体在不吸收水分或氧化物等污染物的情况下结合起来——这对外延的异质结构是不可能的。这可被用于创建使用电力来控制磁力的设备，也是硬盘中磁存储器的基础。

我们还可以将两个相同的原子层以稍微错开的角度堆叠在一起（如下图）。这样就形成了一种被称为莫列波纹（moiré pattern）的晶格，这为设计材料的电子和光学特性又提供了新的自由度。

○ 图片来源：University of Heriot-Watt

虽然范德华异质结构仍处于初步阶段，但已经出现了许多因它而起的令人印象深刻的新物理和新潜能。其中包括更小、更轻便、更灵活以及更有效的太阳能电池、LED、晶体管和磁存储器。

在未来，我们期待会出现在过去意料不到的惊喜。最近的一项发现就是很好的例子，当我们将两层石墨烯以一个特定的“魔角”彼此扭转时，电子就会变成超导（详见：《石墨烯研究的意外发现》）。这项我们尚无法彻底理解的突破，可以解开这个已经长达30年前之久的奥秘——即电子是如何在不损失任何能量的情况下引出超导体的。它还可能让我们能在室温下使用超导体，这对医疗成像、量子计算机、以及长距离的电力传输都具有潜在的益处。

但是，预测技术革新带来的后果并非易事。正如在2000年因将半导体异质结构发展应用于高速光电子元件中，而获得诺贝尔物理学奖的赫伯特·克罗默（Herbert Kroemer）常常说的那样：“任何足够新颖和创新技术的主要应用，始终并终将继续是这项技术创造的应用。”