物理所硅烯和锗烯生长及机制研究获进展

硅烯和锗烯分别是由硅原子和锗原子组成的具有类似石墨烯结构的二维材料。与石墨烯，硅烯和锗烯的两个子晶格上的原子在垂直于材料所在平面的方向上有位移，因而形成low buckle的结构。近年来，硅烯和锗烯的可控制备一直是研究热点。

目前，硅烯已在不同的基底如Ag(111)、ZrB2(0001)和Ir(0001)等表面上制备。其中，对硅烯的研究主要集中于Ag(111)基底上的生长。然而，在Ag(111)基底上制备出来的硅烯有多种畴，畴与畴之间的晶界无疑会影响到器件的性质，这也是目前基于硅烯的场效应晶体管的电子迁移率远远低于理论预期值的原因之一。因此，研究硅烯的生长机制、探索合适的基底生长大面积、高质量的硅烯对于基础研究和应用探索具有重要意义。

中国科学院院士、中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员高鸿钧领导的研究团队，在新型二维原子晶体材料的制备与物性研究等方面进行了多年探索，取得了一系列研究成果。近日，该研究组博士生黄立、张艳芳和研究员杜世萱等，利用分子束外延、扫描隧道显微学和第一性原理计算等，系统地研究了硅烯在Ru(0001)基底上的生长及其机制，在新型硅二维材料的研究方面取得进展。

在Ru(0001)基底上，硅原子首先沉积在基底的HCP hollow位置，形成线性结构。因为受到具有三重对称性的基底调制，硅原子并不会形成无限长的链状结构，而是形成一种之前从未被发现过的硅鱼骨结构（图1）。随着硅原子沉积量的增加，硅增原子会优先吸附于硅鱼骨的elbow位置，在elbow位置形成硅的六元环。继续增加硅原子的沉积量，这些六元环会作为成核点在硅鱼骨结构的elbow区域转变成小片的硅蜂窝状结构（硅烯纳米带），最初形成的鱼骨结构从而演变成鱼骨和蜂窝状结构共存的二维超结构（图2、图3）。进一步增加硅原子的沉积量，硅鱼骨结构消失，整个基底被硅蜂窝状结构即硅烯所覆盖（图4）。他们研究了在Ru(0001)基底上不同的硅二维结构，观察并解释了硅烯在Ru(0001)表面的生长过程，发现了新的硅二维结构。这一成果发表在Nano Letters上。

此外，该研究组博士生潘金波和研究员杜世萱，与中科院武汉物理与数学研究所副研究员秦志辉合作，首次在Cu(111)基底上制备出双层锗烯，并开展了结构特性研究。高分辨STM图像结合第一性原理计算证实，Cu(111)上的双层锗烯为AB堆垛，与基底形成特定的超结构（图5）。由于底层锗烯有效屏蔽掉来自基底的相互作用，双层锗烯在费米能级附近呈现完美对称的“V”形 dI/dV电子态（图6），表现出自由锗烯才有的二维狄拉克费米子线性能带色散特征。研究成果发表在Advanced Materials上。

这些研究结果对以硅和锗为基础的二维原子晶体材料及其实际应用具有重要意义。研究工作获得了国家自然科学基金委、科技部和中科院的支持。

图1.硅烯的生长示意图和硅鱼骨结构。
 

图2.Si鱼骨和类硅烯纳米带的二维超结构。

图3.Si鱼骨到类硅烯纳米带的演变示意图。

图4.Ru(0001)基底上硅烯的STM、LEED、结构以及STM模拟图。

图5.Cu(111)上双层锗烯的STM、结构和STM模拟图。


图6.Cu(111)上锗烯的扫描隧道谱，其中双层锗烯在费米能级附近呈现完美对称的“V”形 dI/dV电子态。