二维范德瓦尔斯材料有序态外场调控与原型器件

20240115

科学研究和技术服务业

1)开发的瓦尼尔函数的技术方法可从二维材料的形成能（结合能）、能带结构、声子谱等方面展开相关理论计算和分析，针对晶格对称性，磁性元素等关键信息进行结构判定；采用单一变量原则（掺杂元素、电荷量、晶格畸变等），分析磁性离子掺杂后，范德瓦尔斯体系内的局域晶格、电子结构、电子轨道构型等，深入探索掺杂体系内晶格-电荷-自旋-轨道耦合规律；2）预测二维锝基室温铁磁半导，TcSiTe3、TcGeSe3和TeGeTe3；对于层状铁电材料CuInP2S6进行了单层、双层结构稳定性的研究，并初步尝试了Cu(In,Cr)P2S6磁性掺杂的研究。已成功生长CuInP2S6单晶并获得单层；3）设计制备了1种菱方型ABC三层石墨烯的栅极调控的面内耦合型范德瓦尔斯复合器件，发现了非常规超导态；利用人工异质结堆叠技术，制备了魔角转角样品；制备了莫尔超晶格调制的双层石墨烯异质结器件，并发现了非常规铁电性质；4）以实验中已发现的范德瓦尔斯铁电、铁磁材料为基础，通过机械剥离的方式得到薄层样品，以刻蚀好团的石墨烯为电极，将铁电和铁磁材料堆叠，最后用绝缘BN进行封装，形成人工复合型铁电-铁磁器件；通过改善干式转移技术，完成多层异质结的器件制备，层数>7，角度精确度<0.01度，一维边接触电阻控制在10*2Ohm-cm量级；利用扫描探针技术对转角样品进行了结构、物性的表征，利用外加电场等实现对电子晶体及非平庸拓扑的精准调控，技术上实现了结构表征分辨率好于 0.1nm,能量分辨率好于1meV的测量；5）完成以金属作为栅极的6层人工范德瓦尔斯异质结的器件制备，并探索了顶栅为离子液体的固体-液体混合型栅极多层异质结，为诱导超导层的后续集成奠定了基础；结合人工异质结堆叠技术，成功制备了多种范德瓦尔斯异质结（菱方型ABC三层石墨烯异质结、双层石墨烯异质结、复合型铁电-铁磁器件）。

首先，在资金方面，科技成果转化需要大量的资金支持。拟合作方需要具备雄厚的财力，以支持项目的研发、生产、市场推广等各个阶段，包括维持实验设备的运转，支付必要的加工测试费用等。同时科技成果的转化过程中可能会面临不确定性和风险，因此拟合作方需要有足够的财务实力来承担这些挑战。在场地方面，拟合作方需要具备适宜的研发和生产场地。科技成果的实际应用往往需要一定的生产基地和实验室支持，而这些场地需要符合相关的技术要求和标准。拟合作方需要具备相应的场地资源，以确保科技成果能够在实际生产中得到有效验证，并且能够满足市场需求。在设备方面，科技成果的转化需要先进的研发和生产设备。拟合作方需要具备一流的技术设备，以支持科技成果的进一步研发和生产。设备应该至少包括扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscopy，STM）、原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、低温输运系统等，并保证设备可以稳定运行，有充足的机时进行实验。在人员方面，科技成果转化需要高素质的研发和管理团队。拟合作方需要拥有一支具备丰富经验和专业知识的团队，以推动科技成果的转化过程。包括能熟练使用并维护上述设备的研发人员、负责后续推广的市场人员、保障研发正常进行的后勤人员等各个方面的专业人才。 总体而言，科技成果转化对拟合作方在资金、场地、设备和人员方面提出了全面而严格的要求。只有在这些方面都取得了良好的平衡和支持，科技成果才能够成功地转化为实际的创新产品或服务，从而为社会和市场带来实际的价值。

仅限国内转让

（1）解决“卡脖子”问题：六方氮化硼（h-BN）材料具有超高热导和电绝缘性、独特的光电性能、热稳定性和化学惰性，在超高导热、紫外光源及中子探测等领域有很大的应用潜力。目前，国际上高质量大尺寸的h-BN晶体材料只有美国和日本两个课题组可以获得；国内的相关研究仍然空缺。研究团队结合高温化学气相沉积和金属助熔剂法，成功制备出高质量大尺寸h-BN单晶以及厘米级连续薄膜，进一步实现了硼同位素的精准调控。这一生长技术的突破，对基于h-BN的高热导应用、固态热中子探测、凝聚态物理基础研究等方面具有重要的意义。 （2）促进学科交叉： 促进了力学学科与凝聚态物理、材料物理的有效交叉，二维材料通过机械解离的过程中会产生结构相变，可以有效的通过局域的杨氏模量进行表征，在二维材料结构相变的物理机制上做出了阐述。发展了多种微纳尺度下力学性质测量方法（纳米压痕法、接触共振力学测试法、鼓泡法），发展了量子物态的力学调控方法（悬浮薄膜纳米压痕法、横向挠曲电）。 促进了凝聚态物理和合成化学、材料学和力学的有效交叉，发展了化学气相合成法和基于原子分辨照片的微观结构分析方法，拓展了对于非晶材料构效关系的理解，发展了新的力学加载方法对量子材料性能的有效调控。 （3）促进新型二维电子器件的现实应用：对界面铁电机制进行深入研究，揭示了其与晶格的密切关系，奠定了铁电场效应晶体管、信息存储等二维电子器件的微型化、实用化（室温应用）的基础。

北京市自然科学重点研究专题项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

范德瓦尔斯材料中不断涌现的铁电、铁磁、超导等新奇属性以及与外场的强烈耦合效应，使该类材料在电子信息器件上存在巨大的潜在应用价值。在项目团队成员的前期研究工作基础上，从材料设计、样品合成、物性研究与调控到原型器件探索四个方面，对如下科学问题、关键技术以及前景应用开展了深入和全链条的联合攻关：1、功能性范德瓦尔斯材料设计，旨在通过理论设计结合材料基因工程思想获得具有铁性、超导等属性的范德瓦尔斯材料；2、利用化学气相生长、分子束外延及异质结堆叠等方法，可控合成功能化二维材料及异质结构；3、多角度、系统性的测量上述多铁、超导等二维材料结构和物理性质；并通过各种调控手段争取在磁电耦合、非常规超导电性等研究方面取得突破性进展；4、 从器件层面上开展进一步研究，基于外场等对铁电、磁性与超导物态的高精准调控，开发基于二维铁电、多铁、非常规超导属性的电子原型量子器件。 取得的关键性技术指标如下：1)开发的瓦尼尔函数的技术方法可从二维材料的形成能（结合能）、能带结构、声子谱等方面展开相关理论计算和分析，针对晶格对称性，磁性元素等关键信息进行结构判定；采用单一变量原则（掺杂元素、电荷量、晶格畸变等），分析磁性离子掺杂后，范德瓦尔斯体系内的局域晶格、电子结构、电子轨道构型等，深入探索掺杂体系内晶格-电荷-自旋-轨道耦合规律；2）预测二维锝基室温铁磁半导，TcSiTe3、TcGeSe3和TeGeTe3；对于层状铁电材料CuInP2S6进行了单层、双层结构稳定性的研究，并初步尝试了Cu(In,Cr)P2S6磁性掺杂的研究。已成功生长CuInP2S6单晶并获得单层；3）设计制备了1种菱方型ABC三层石墨烯的栅极调控的面内耦合型范德瓦尔斯复合器件，发现了非常规超导态；利用人工异质结堆叠技术，制备了魔角转角样品；制备了莫尔超晶格调制的双层石墨烯异质结器件，并发现了非常规铁电性质；4）以实验中已发现的范德瓦尔斯铁电、铁磁材料为基础，通过机械剥离的方式得到薄层样品，以刻蚀好团的石墨烯为电极，将铁电和铁磁材料堆叠，最后用绝缘BN进行封装，形成人工复合型铁电-铁磁器件；通过改善干式转移技术，完成多层异质结的器件制备，层数>7，角度精确度<0.01度，一维边接触电阻控制在10*2Ohm-cm量级；利用扫描探针技术对转角样品进行了结构、物性的表征，利用外加电场等实现对电子晶体及非平庸拓扑的精准调控，技术上实现了结构表征分辨率好于 0.1nm,能量分辨率好于1meV的测量；5）完成以金属作为栅极的6层人工范德瓦尔斯异质结的器件制备，并探索了顶栅为离子液体的固体-液体混合型栅极多层异质结，为诱导超导层的后续集成奠定了基础；结合人工异质结堆叠技术，成功制备了多种范德瓦尔斯异质结（菱方型ABC三层石墨烯异质结、双层石墨烯异质结、复合型铁电-铁磁器件）。可以预期，通过我们系统性的工作，必将为二维范德瓦尔斯材料在低能耗、高密度、高速读写等功能器件以及潜在的拓扑超导量子计算等领域提供新型材料及电子原型器件。