中國科學院大學在矽烯和鍺烯的生長及其機制研究取得重要進展

2018-07-21 科技 344 Views

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矽烯和鍺烯分別是由矽原子和鍺原子組成的具有類似石墨烯結構的二維材料。與石墨烯，矽烯和鍺烯的兩個子晶格上的原子在垂直於材料所在平面的方向上有位移，因而形成low buckle的結構。矽烯和鍺烯的可控制備近年來一直是研究熱點。

目前，矽烯已在不同的基底如Ag(111)、ZrB2(0001)和Ir(0001)等表面上成功制備。其中，對於矽烯的研究主要集中於Ag(111)基底上的生長。然而，在Ag(111)基底上制備出來的矽烯有多種疇，疇與疇之間的晶界無疑會影響到器件的性質，這也是目前基於矽烯的場效應晶體管的電子遷移率遠遠低於理論預期值的原因之一。因此，研究矽烯的生長機制、探索合適的基底生長大面積、高質量的矽烯對於基礎研究和應用探索都具有十分重要的意義。

中國科學院大學物理科學學院院長、中科院真空物理重點實驗室主任高鴻鈞院士主管的研究團隊在新型二維原子晶體材料的制備與物性研究等方面開展了多年的探索研究，取得了一系列重要研究成果。最近，該研究組的博士生黃立、張艷芳和杜世萱研究員等利用分子束外延、掃描隧道顯微學和第一性原理計算等，系統地研究了矽烯在Ru(0001)基底上的生長及其機制,在新型矽二維材料的研究方面又取得了重要進展。

在Ru(0001)基底上，矽原子首先沉積在基底的HCP hollow位置，形成線性結構。因為受到具有三重對稱性的基底調制，矽原子並不會形成無限長的鏈狀結構，而是形成一種之前從未被發現過的矽魚骨結構（圖1）。隨著矽原子沉積量的增加，矽增原子會優先吸附於矽魚骨的elbow位置，在elbow位置形成矽的六元環。繼續增加矽原子的沉積量，這些六元環會作為成核點在矽魚骨結構的elbow區域轉變成小片的矽蜂窩狀結構（矽烯奈米帶），最初形成的魚骨結構從而演變成魚骨和蜂窩狀結構共存的二維超結構（圖2，圖3）。進一步增加矽原子的沉積量，矽魚骨結構消失，整個基底被矽蜂窩狀結構——即矽烯——所覆蓋（圖4）。他們研究了在Ru(0001)基底上不同的矽二維結構，觀察並解釋了矽烯在Ru(0001)表面的生長過程，發現了新的矽二維結構。這一成果發表於Nano Lett. 17, 1161 (2017)上。

另外，該研究組的潘金波博士生和杜世萱研究員與中國科學院武漢物理與數學研究所秦志輝副研究員合作，首次在Cu(111)基底上成功制備出雙層鍺烯，並開展了結構特性研究。高分辨STM圖像結合第一性原理計算證實，Cu(111)上的雙層鍺烯為AB堆垛，與基底形成(Ö3 × Ö3) R30°的超結構（圖5）。由於底層鍺烯有效屏蔽掉了來自基底的相互作用，雙層鍺烯在費米能級附近呈現完美對稱的「V」形 dI/dV電子態（圖6），表現出自由鍺烯才有的二維狄拉克費米子線性能帶色散特徵。這一成果發表於Adv. Mater. 29, 1606046 (2017)上。

這些研究結果對以矽和鍺為基礎的二維原子晶體材料及其實際應用具有重要意義。該項研究獲得了國家自然科學基金委（61390501，51325204）、科技部（2013CBA01600，2016YFA0202300）和中國科學院的支持。

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