物理所新型二维晶体材料硅烯研究取得进展

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寻找与硅基CMOS工艺兼容的新型电子学材料是凝聚态物理及其应用研究领域的主要任务之一。石墨烯作为由碳原子构成的二维原子晶体，因具有优异的电学性质（特别是高载流子迁移率），有望与硅基CMOS工艺兼容成为制造新一代的高性能电子学器件的新型二维材料。
近年来, 中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）高鸿钧研究组在高质量石墨烯研究方面取得了一系列突破性进展，他们提出了基于表面外延的石墨烯生长技术，在金属表面获得高质量、大面积、连续的单晶石墨烯【Chinese Physics 16,3151(2007); Adv. Mater. 21, 2777 (2009)】。他们还对石墨烯的控制生长、物理性质、性能调制进行了系列研究【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)】。他们还首次提出了“原位非转移”的硅插层技术，成功地将该“高质量”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)】。这种“石墨烯/硅”异质结构，使得石墨烯和当前的硅基CMOS工艺兼容成为可能。
与现有硅半导体工艺兼容的另一种二维原子晶体材料是硅烯(Silicene)，近年来受到了广泛的关注。2007年，理论学者提出硅烯的概念并对其进行了模拟计算。最近的理论研究表明，硅烯具备与石墨烯类似的几何结构和Dirac型电子结构，预测其也具有石墨烯中发现的新奇量子效应，例如量子自旋霍尔效应等。这些新奇物性的理论预言尚需实验的证实。因此，实验上如何制备硅烯二维原子晶体材料并对其物性进行测量显得尤为重要。硅烯的制备是目前研究的关键和难点，不同于石墨烯可以从石墨块体中解理出来，硅烯则难以从体硅中获得，因为体材料中的硅原子是以sp3杂化的形式存在，这种硅与硅之间强的共价作用很难被破坏。因此，通过解理获得硅烯不可能实现，寻求新的制备方法势在必行。在固体表面外延生长硅烯是一种有效的制备方法。最近的报道表明，在Ag(111)表面外延生长可以获得硅烯。除了在Ag(111)表面，在以硅片为基底的二硼化锆薄膜上也能制备出硅烯。这两项工作都观察到了硅烯的一种(√3×√3)的重构。然而，对硅烯的研究还刚刚起步，它的可控生长及其应用迫切需要研究硅在其它基底上的组装行为以及原子尺度上的本征物理性质。
基于石墨烯外延生长、可控制备及性能调控方面的研究基础，最近，高鸿钧研究组博士生孟蕾同学、王业亮副研究员和杜世萱研究员等，通过外延生长的方法在金属Ir(111)表面成功制备出了硅烯。低能电子衍射和扫描隧道显微镜的表征结果显示，它相对于金属铱基底表现为一种(√7×√7)的超结构。第一性原理计算验证了这种超结构模型是一层起伏的硅烯。重要的是，电子局域函数的计算结果显示在Ir(111)表面外延生长的硅烯是一层Si-Si间以共价键相连的连续的二维薄膜。该研究成果提供了一种新的制备高质量硅烯的方法，是目前报道的能够获得硅烯的三种途径之一，为观察硅烯的新奇量子现象提供了可能。相关结果发表在Nano Letters 13, 685 (2013)上。文章发表后，Nature在其News in Focus中【Nature 495, 152(2013)】评述了在三种不同基底上制备硅烯的开创性工作，该文章是其所引的三篇参考文献之一。