中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，上海交通大學(xué)物理與天文系凝聚態(tài)物理研究所低維物理和界面工程實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)斯坦福大學(xué)張首晟的理論團(tuán)隊(duì)合作首次實(shí)現(xiàn)了錫烯實(shí)驗(yàn)研究的重大突破。張首晟教授和清華大學(xué)徐勇教授對(duì)錫烯的研究提供了第一性原理計(jì)算支持。該項(xiàng)研究成果在Nature Materials在線發(fā)表。
隨著石墨烯研究的巨大成功，類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維晶體材料成為物理和材料科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，基于錫（Sn）的二維類石墨烯晶體錫烯（Stanene）被認(rèn)為具有極其優(yōu)越的物理特性。2012到2013年間，理論學(xué)家們預(yù)言，錫烯是一種可以在室溫下工作的大能隙二維拓?fù)浣^緣體，可實(shí)現(xiàn)室溫下無損耗的電子輸運(yùn)，在未來更高集成度的電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有重要的意義。同時(shí)，通過對(duì)錫烯的調(diào)控，還能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、優(yōu)越的熱電效應(yīng)、室溫下的反常量子霍爾效應(yīng)等新奇特性。
錫烯是一種理論上非常理想的新型量子材料。如何在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)錫烯材料已成為當(dāng)前國(guó)際物理學(xué)家的重要目標(biāo)。錫烯的晶體結(jié)構(gòu)是基于金剛石結(jié)構(gòu)的a-錫，和石墨不同，a-錫不是層狀結(jié)構(gòu)，無法用機(jī)械剝離的方法獲得單層的錫烯。而且，體材料的a-錫在室溫下不能穩(wěn)定存在。雖然穩(wěn)定的a-錫厚薄膜能夠在晶格失配度非常小的半導(dǎo)體InSb基底上生長(zhǎng)，但在InSb基底上生長(zhǎng)單層錫烯卻一直無法實(shí)現(xiàn)。過去幾年中，制備單層錫烯成為二維晶體材料和拓?fù)鋺B(tài)材料領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。
上海交通大學(xué)物理與天文系凝聚態(tài)物理研究所低維物理和界面工程實(shí)驗(yàn)室博士生朱鋒鋒在錢冬、賈金鋒兩位教授指導(dǎo)下，經(jīng)過近兩年的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于找到了合適的基底材料和生長(zhǎng)條件，利用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了錫烯二維晶體薄膜。在整個(gè)研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)面臨的另外一個(gè)關(guān)鍵問題是如何確定外延的薄膜是錫烯薄膜。為了回答這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)克服了兩大難題。第一個(gè)難題是如何確定單個(gè)錫烯薄膜中雙原子層的相對(duì)高度（buckling）。通常情況下，掃描隧道顯微鏡只能看到最表面的一層原子，無法看到下面的第二層原子。通過大量的實(shí)驗(yàn)，博士生陳維炯終于成功觀察到雙原子層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，精確測(cè)定了雙原子層的相對(duì)高度。第二個(gè)難題是如何確定外延薄膜的電子能帶結(jié)構(gòu)。由于薄膜厚度不到0.4納米，用來確定電子能帶結(jié)構(gòu)的角分辨光電子能譜信號(hào)中包含了眾多的基底信號(hào)，造成了極大的混淆。為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)將錫烯的生長(zhǎng)設(shè)備搬到同步輻射光源，利用同步輻射光源光子能量和光子偏置可變的特性，實(shí)現(xiàn)了錫烯的電子能帶結(jié)構(gòu)和基底信號(hào)的完全分離，還進(jìn)一步利用原位表面電子摻雜的方法，確定了空態(tài)的部分能帶結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)精確確定的原子結(jié)構(gòu)及電子能帶結(jié)構(gòu)和第一性原理計(jì)算的結(jié)果具有非常好的一致性，從而確信無疑地證實(shí)了外延生長(zhǎng)的薄膜就是二維錫烯。
錫烯薄膜的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，為開展其物性研究打來了大門，將對(duì)二維拓?fù)潆娮訉W(xué)材料的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。低維物理和界面工程實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步深入開展錫烯薄膜晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控、量子輸運(yùn)特性測(cè)量等一系列后續(xù)研究。低維物理和界面工程實(shí)驗(yàn)室隸屬于教育部人工結(jié)構(gòu)和量子調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，是國(guó)家先進(jìn)微結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中心的成員。此項(xiàng)研究得到了科技部、中組部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委、上海市教委等機(jī)構(gòu)的大力支持。
隨著石墨烯研究的巨大成功，類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維晶體材料成為物理和材料科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。其中，基于錫（Sn）的二維類石墨烯晶體錫烯（Stanene）被認(rèn)為具有極其優(yōu)越的物理特性。2012到2013年間，理論學(xué)家們預(yù)言，錫烯是一種可以在室溫下工作的大能隙二維拓?fù)浣^緣體，可實(shí)現(xiàn)室溫下無損耗的電子輸運(yùn)，在未來更高集成度的電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有重要的意義。同時(shí)，通過對(duì)錫烯的調(diào)控，還能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、優(yōu)越的熱電效應(yīng)、室溫下的反常量子霍爾效應(yīng)等新奇特性。
錫烯是一種理論上非常理想的新型量子材料。如何在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)錫烯材料已成為當(dāng)前國(guó)際物理學(xué)家的重要目標(biāo)。錫烯的晶體結(jié)構(gòu)是基于金剛石結(jié)構(gòu)的a-錫，和石墨不同，a-錫不是層狀結(jié)構(gòu)，無法用機(jī)械剝離的方法獲得單層的錫烯。而且，體材料的a-錫在室溫下不能穩(wěn)定存在。雖然穩(wěn)定的a-錫厚薄膜能夠在晶格失配度非常小的半導(dǎo)體InSb基底上生長(zhǎng)，但在InSb基底上生長(zhǎng)單層錫烯卻一直無法實(shí)現(xiàn)。過去幾年中，制備單層錫烯成為二維晶體材料和拓?fù)鋺B(tài)材料領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。
上海交通大學(xué)物理與天文系凝聚態(tài)物理研究所低維物理和界面工程實(shí)驗(yàn)室博士生朱鋒鋒在錢冬、賈金鋒兩位教授指導(dǎo)下，經(jīng)過近兩年的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于找到了合適的基底材料和生長(zhǎng)條件，利用分子束外延生長(zhǎng)技術(shù)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了錫烯二維晶體薄膜。在整個(gè)研究過程中，研究團(tuán)隊(duì)面臨的另外一個(gè)關(guān)鍵問題是如何確定外延的薄膜是錫烯薄膜。為了回答這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)克服了兩大難題。第一個(gè)難題是如何確定單個(gè)錫烯薄膜中雙原子層的相對(duì)高度（buckling）。通常情況下，掃描隧道顯微鏡只能看到最表面的一層原子，無法看到下面的第二層原子。通過大量的實(shí)驗(yàn)，博士生陳維炯終于成功觀察到雙原子層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，精確測(cè)定了雙原子層的相對(duì)高度。第二個(gè)難題是如何確定外延薄膜的電子能帶結(jié)構(gòu)。由于薄膜厚度不到0.4納米，用來確定電子能帶結(jié)構(gòu)的角分辨光電子能譜信號(hào)中包含了眾多的基底信號(hào)，造成了極大的混淆。為了解決這個(gè)問題，研究團(tuán)隊(duì)將錫烯的生長(zhǎng)設(shè)備搬到同步輻射光源，利用同步輻射光源光子能量和光子偏置可變的特性，實(shí)現(xiàn)了錫烯的電子能帶結(jié)構(gòu)和基底信號(hào)的完全分離，還進(jìn)一步利用原位表面電子摻雜的方法，確定了空態(tài)的部分能帶結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)精確確定的原子結(jié)構(gòu)及電子能帶結(jié)構(gòu)和第一性原理計(jì)算的結(jié)果具有非常好的一致性，從而確信無疑地證實(shí)了外延生長(zhǎng)的薄膜就是二維錫烯。
錫烯薄膜的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，為開展其物性研究打來了大門，將對(duì)二維拓?fù)潆娮訉W(xué)材料的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。低維物理和界面工程實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步深入開展錫烯薄膜晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控、量子輸運(yùn)特性測(cè)量等一系列后續(xù)研究。低維物理和界面工程實(shí)驗(yàn)室隸屬于教育部人工結(jié)構(gòu)和量子調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，是國(guó)家先進(jìn)微結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中心的成員。此項(xiàng)研究得到了科技部、中組部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委、上海市教委等機(jī)構(gòu)的大力支持。
