中科院物理所新型二維晶體材料硅烯研究取得進(jìn)展

尋找與硅基CMOS工藝兼容的新型電子學(xué)材料是凝聚態(tài)物理及其應(yīng)用研究領(lǐng)域的主要任務(wù)之一。石墨烯作為由碳原子構(gòu)成的二維原子晶體，因具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)（特別是高載流子遷移率），有望與硅基CMOS工藝兼容成為新一代的高性能電子學(xué)器件的新型二維材料。

　　近年來(lái), 中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）高鴻鈞研究組在高質(zhì)量石墨烯研究方面取得了一系列突破性進(jìn)展，他們提出了基于表面外延的石墨烯生長(zhǎng)技術(shù)，在金屬表面獲得高質(zhì)量、大面積、連續(xù)的單晶石墨烯【Chinese Physics 16,3151（2007）; Adv. Mater. 21, 2777 （2009）】。他們還對(duì)石墨烯的控制生長(zhǎng)、物理性質(zhì)、性能調(diào)制進(jìn)行了系列研究【Appl. Phys. Lett. 95, 093106（2009） ; 96,053109（2010）; J. Am. Chem. Soc. 131, 14136（2009）; Phys. Rev. Lett. 105, 219701 （2010）; J. Phys.: Condens. Matter 22, 302001 （2010） （Cover Story）】。他們還提出了“原位非轉(zhuǎn)移”的硅插層技術(shù)，成功地將該“高質(zhì)量”的石墨烯“直接”置于硅材料上【Appl. Phys. Lett. 100, 093101 （2012）（Cover story）; 100, 083101 （2012） ; 102, 093106 （2013）】。這種“石墨烯/硅”異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使得石墨烯和當(dāng)前的硅基CMOS工藝兼容成為可能。

　　與現(xiàn)有硅半導(dǎo)體工藝兼容的另一種二維原子晶體材料是硅烯（Silicene），近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。2007年，理論學(xué)者提出硅烯的概念并對(duì)其進(jìn)行了模擬計(jì)算。zui近的理論研究表明，硅烯具備與石墨烯類似的幾何結(jié)構(gòu)和Dirac型電子結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)其也具有石墨烯中發(fā)現(xiàn)的新奇量子效應(yīng)，例如量子自旋霍爾效應(yīng)等。這些新奇物性的理論預(yù)言尚需實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。因此，實(shí)驗(yàn)上如何制備硅烯二維原子晶體材料并對(duì)其物性進(jìn)行測(cè)量顯得尤為重要。硅烯的制備是目前研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)，不同于石墨烯可以從石墨塊體中解理出來(lái)，硅烯則難以從體硅中獲得，因?yàn)轶w材料中的硅原子是以sp3雜化的形式存在，這種硅與硅之間強(qiáng)的共價(jià)作用很難被破壞。因此，通過(guò)解理獲得硅烯不可能實(shí)現(xiàn)，尋求新的制備方法勢(shì)在必行。在固體表面外延生長(zhǎng)硅烯是一種有效的制備方法。zui近的報(bào)道表明，在Ag（111）表面外延生長(zhǎng)可以獲得硅烯。除了在Ag（111）表面，在以硅片為基底的二硼化鋯薄膜上也能制備出硅烯。這兩項(xiàng)工作都觀察到了硅烯的一種（√3×√3）的重構(gòu)。然而，對(duì)硅烯的研究還剛剛起步，它的可控生長(zhǎng)及其應(yīng)用迫切需要研究硅在其它基底上的組裝行為以及原子尺度上的本征物理性質(zhì)。

　　基于石墨烯外延生長(zhǎng)、可控制備及性能調(diào)控方面的研究基礎(chǔ)，zui近，高鴻鈞研究組博士生孟蕾同學(xué)、王業(yè)亮副研究員和杜世萱研究員等，通過(guò)外延生長(zhǎng)的方法在金屬 Ir（111）表面成功制備出了硅烯。低能電子衍射和掃描隧道顯微鏡的表征結(jié)果顯示，它相對(duì)于金屬銥基底表現(xiàn)為一種（√7×√7）的超結(jié)構(gòu)。*性原理計(jì)算驗(yàn)證了這種超結(jié)構(gòu)模型是一層起伏的硅烯。重要的是，電子局域函數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示在Ir（111）表面外延生長(zhǎng)的硅烯是一層Si-Si間以共價(jià)鍵相連的連續(xù)的二維薄膜。該研究成果提供了一種新的制備高質(zhì)量硅烯的方法，是目前報(bào)道的能夠獲得硅烯的三種途徑之一，為觀察硅烯的新奇量子現(xiàn)象提供了可能。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nano Letters 13, 685 （2013）上。文章發(fā)表后，Nature在其News in Focus中【Nature 495, 152（2013）】評(píng)述了在三種不同基底上制備硅烯的開(kāi)創(chuàng)性工作，該文章是其所引的三篇參考文獻(xiàn)之一。

　　該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、“973”項(xiàng)目和中科院的支持。