這會是科技領域的下一個重大突破嗎？

「如果剛好有恰當的層狀結構，我們可以用它們來做什麼？如果我們真的能依我們所想的方式去排列原子，材料的性質會是什麼？」

這些問題是美國物理學家理查德·費曼於1959年在他具有里程碑意義的演講《底部還有很大空間（There』s Plenty of Room at the Bottom）》中提到的。這篇演講充滿了使用量子力學「在原子尺度上操縱和控制事物」的深刻思想。

1959年12月29日，費曼在加州理工發表了著名的演講《底部還有很大空間》，並首次提出了「納米科技」的概念。

在當時看來，這些想法未免牽強；而現在，操縱原子層已成為一個主要的研究領域。為了實現費曼的願景，IBM和美國貝爾實驗室的研究人員已經設計出一種逐層構建材料的新方法：分子束外延（MBE）。

這就好比是用原子進行噴塗。首先，你要汽化純度很高的源材料，如鎵、鋁或銦，並將它們與砷或磷混合。汽化過的原子通過真空室後飛向由類似材料製成的基礎層。原子會粘到上面，以每次一個原子層的速率慢慢形成一個晶體。超高真空確保了最低的雜質含量。

原子的構建師

雖然這個過程相對較慢——通常每分鐘只能添加幾個原子層，但精度卻非常高。它使得技術人員可以將不同的半導體材料堆疊在一起，形成一種名為異質結構的晶體，這種晶體具有非常有用的特性。例如，通過交替地堆疊砷化鋁層和砷化鎵層，就可以生產出非常適用於儲存電力的材料。

這種技術在1990年代和2000年代得到完善後，科學家就能控制特定晶體中的電子數量以及它們的能量。而且，由於光會與這些電子相互作用，對電子行為有更多的控制意味著我們可以更好地控制它們被光激發的方式。

異質結構導致了許多的新發現，特別是與粒子——例如結構中的電子——有關的量子行為。它贏得過5次（1973、1985、1998、2000和2014年）諾貝爾物理學獎，可以說，由此而生的材料徹底改變了人類文明。

半導體異質結構讓太陽能電池、LED、激光器和超快晶體管變成現實。如果沒有它，甚至互聯網都是不可能存在的：用來發送編碼在線信息位的光脈衝的激光，就是用異質結構製成的，測量這些光脈衝和解碼這些信息的光電探測器也是如此。

儘管如此，異質結構還是存在一些限制。它們的原子尺寸、間距和排列在沒有缺陷的層之間不能太不相似。這就限制了材料組合的可能以及自由設計的電子和光學性質的潛力。

此外，通常晶體能自然得由可以在三個方向上全部形成鍵的原子構成。這意味著在邊緣處，總會有未被完全滿足的原子而出現「懸空」的鍵。外來雜質會找到這些鍵，併產生可破壞其他性質的缺陷。對於較小的晶體這尤為重要，因為這會阻礙它們充分地融入到現代晶體管和激光器等器件之中。

進入二維晶體世界

超薄材料的終極厚度是只有單層原子。幸運的是，大自然就設計出了這種「二維晶體」。最著名的便是石墨烯，它是由碳原子排列成的六邊形。

石墨烯是一種以碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。| 圖片來源：Olive Tree

石墨烯比鋼還要強，比銅還能更好地導電。它具有許多獨特且奇異的電子、光學和機械特性，正如2010年諾貝爾物理學獎所授予的發現那樣。

在完美的石墨烯晶體中，所有的原子都會彼此成鍵，不存在懸空鍵。我們極有可能通過使用透明膠帶來剝離石墨層，從而產生石墨烯：石墨實際上是多層的石墨烯，它們通過范德華力維持在一起，這比石墨烯的每個構成層中的鍵要弱得多。

除石墨烯外，還有許多其他的二維晶體，每一種都具有其獨特的性質。有幾種能天然地存在於地下的寶石中，例如工業中的一種重要潤滑劑——二硫化鉬。其他的二維晶體可通過分子束外延法進行製備，例如絕緣體一氮化硼，以及在與過渡金屬二硫化物（如二硫化鉬）相同一族中的晶體。

就像石墨烯之於石墨一樣，科學家從大量的這些化合物中「剝離」出單片的二維薄片。這些薄片的固有薄度意味著它們的行為能表現得與前面描述過的異質結構完全不同。不同級別的原子級薄度可以產生絕緣材料、半導體材料、金屬材料、磁性材料或者甚至是超導材料。

科學家還可以隨意地對這些材料進行挑選、放置以及組合，以形成新的異質結構，稱為范德華異質結構，它具有與二維薄片材料不同的性質。至關重要的是，與通過分子束外延法製造而成的的異質結構不同，它們並沒有那樣的局限性。它們能包含非常不同的原子晶體層，從而有無限的可能組合出前所未有的不同材料。

例如，它可以將磁性層與半導體還有絕緣體在不吸收水分或氧化物等污染物的情況下結合起來——這對外延的異質結構是不可能的。這可被用於創建使用電力來控制磁力的設備，也是硬碟中磁存儲器的基礎。

我們還可以將兩個相同的原子層以稍微錯開的角度堆疊在一起（如下圖）。這樣就形成了一種被稱為莫列波紋（moiré pattern）的晶格，這為設計材料的電子和光學特性又提供了新的自由度。

圖片來源：University of Heriot-Watt

雖然范德華異質結構仍處於初步階段，但已經出現了許多因它而起的令人印象深刻的新物理和新潛能。其中包括更小、更輕便、更靈活以及更有效的太陽能電池、LED、晶體管和磁存儲器。

在未來，我們期待會出現在過去意料不到的驚喜。最近的一項發現就是很好的例子，當我們將兩層石墨烯以一個特定的「魔角」彼此扭轉時，電子就會變成超導（詳見：《石墨烯研究的意外發現》）。這項我們尚無法徹底理解的突破，可以解開這個已經長達30年前之久的奧秘——即電子是如何在不損失任何能量的情況下引出超導體的。它還可能讓我們能在室溫下使用超導體，這對醫療成像、量子計算機、以及長距離的電力傳輸都具有潛在的益處。

但是，預測技術革新帶來的後果並非易事。正如在2000年因將半導體異質結構發展應用於高速光電子元件中，而獲得諾貝爾物理學獎的赫伯特·克羅默（Herbert Kroemer）常常說的那樣：「任何足夠新穎和創新技術的主要應用，始終並終將繼續是這項技術創造的應用。」

撰文：Brian Geradot（赫瑞瓦特大學）

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