純平蜂窩結(jié)構(gòu)的單層錫烯制備成功，碳基石墨烯家族添加錫基成員
純平蜂窩結(jié)構(gòu)的單層錫烯制備成功，碳基石墨烯家族添加錫基成員
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心教授王兵和副教授趙愛迪研究團(tuán)隊與清華大學(xué)助理教授徐勇、教授段文暉以及美國斯坦福大學(xué)教授張首晟合作，成功制備出具有純平蜂窩結(jié)構(gòu)的單層錫烯，并結(jié)合第一性原理計算證實(shí)了其存在拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)及拓?fù)溥吔鐟B(tài)。相關(guān)研究成果11月5日在線發(fā)表在《自然-材料》（Nature Materials）雜志上。
類石墨烯結(jié)構(gòu)的IV族元素二維晶體材料及其物性研究，是當(dāng)前凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的重要焦點(diǎn)。其中，基于元素錫(Sn)的二維類石墨烯晶體錫烯(Stanene)因其具有很強(qiáng)的電子自旋-軌道耦合，被認(rèn)為是繼石墨烯后又一種具有優(yōu)越物理性質(zhì)的新型量子材料。2013年前后理論物理學(xué)家們預(yù)言，錫烯中由于pxy軌道具有遠(yuǎn)強(qiáng)于pz軌道的自旋軌道耦合效應(yīng)，因此s-p軌道的能帶反轉(zhuǎn)可以在布里淵區(qū)中心打開數(shù)百毫電子伏的巨大能隙；更巧妙的是，由于pxy軌道是平面內(nèi)的，所以其拓?fù)湫愿鼮轸敯簦灰资艿揭r底和吸附物的影響和破壞。因此，錫烯是一種理想的大能隙二維拓?fù)浣^緣體，有望實(shí)現(xiàn)室溫量子自旋霍爾效應(yīng)，在拓?fù)潆娮訉W(xué)器件應(yīng)用方面具有重要意義。理論同時還預(yù)言了錫烯有可能被調(diào)控實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、優(yōu)越的熱電效應(yīng)、近室溫的量子反常霍爾效應(yīng)等新奇特性。過去幾年中，國內(nèi)外多個研究組在不同的襯底表面制備了單層錫烯，但由于受襯底影響，這些已制備出的錫烯都具有非平面的翹曲結(jié)構(gòu)且均未表現(xiàn)出拓?fù)湮镄?。如何制備出具有拓?fù)涮匦缘腻a烯，成為二維類石墨烯材料物性研究亟待突破的重要難題。
純平蜂窩結(jié)構(gòu)的單層錫烯制備成功，碳基石墨烯家族添加錫基成員
純平蜂窩結(jié)構(gòu)錫烯的制備和原子尺度形貌圖（1-3）、結(jié)構(gòu)模型（4-5）、理論計算（6）和實(shí)驗(yàn)觀測到的電子能帶結(jié)構(gòu)（7-8）。
經(jīng)過近三年反復(fù)摸索，研究團(tuán)隊利用低溫分子束外延技術(shù)成功制備出了具有拉伸晶格結(jié)構(gòu)的單層錫烯。該研究工作首次發(fā)現(xiàn)單層錫烯可以表現(xiàn)出與石墨烯完全一致的平面蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其單胞中AB位原子無高度差，形成理想的純平六角蜂窩晶格，為碳基石墨烯家族添加了錫基成員。
實(shí)驗(yàn)中觀測到純平錫烯的化學(xué)惰性以及缺陷結(jié)構(gòu)，也證實(shí)了其與碳基石墨烯具有諸多相似性，有望為平面蜂窩結(jié)構(gòu)的材料提供新的研究平臺。更為重要的是，由于襯底的外延作用，這一純平錫烯的晶格常數(shù)高達(dá)0.51納米，故存在因晶格拉伸導(dǎo)致的s-p軌道拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)，即具有拓?fù)涮匦?。超高真空掃描隧道顯微學(xué)以及角分辨光電子能譜學(xué)結(jié)果與第一性原理計算的能態(tài)結(jié)構(gòu)一致，充分證實(shí)了其由于自旋-軌道耦合和拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)所導(dǎo)致的拓?fù)淠芟兑约巴負(fù)溥吔珉娮討B(tài)。其中，角分辨光電子能譜結(jié)果表明，錫烯由于自旋軌道耦合打開的拓?fù)淠芟都s0.3電子伏特，遠(yuǎn)超室溫?zé)釢q落能量，使其具備應(yīng)用于近室溫的拓?fù)淞孔悠骷臐撡|(zhì)。進(jìn)一步的理論計算還預(yù)言了在純平蜂窩結(jié)構(gòu)的鍺烯和鉛烯中也存在類似的拓?fù)涮匦?，從而?gòu)成了一類新型的二維拓?fù)淞孔硬牧霞易濉?br>
具有拓?fù)淠軒Х崔D(zhuǎn)和大拓?fù)淠芟兜募兤藉a烯的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，為類石墨烯的拓?fù)湮镄匝芯块_辟了一條新的研究路線，將對二維量子材料的研究和應(yīng)用開發(fā)起到重要推動作用。后續(xù)擬開展的研究工作將通過優(yōu)化襯底和增加?xùn)艠O以隔絕襯底電子相互作用并實(shí)現(xiàn)拓?fù)淠芟兜恼{(diào)控，為最終制備可實(shí)用的室溫拓?fù)淦骷峁┭芯炕A(chǔ)。
中國科大博士生鄧家良、清華大學(xué)博士生夏炳煜以及中國科大博士生馬曉川為論文的共同第一作者。此項(xiàng)研究得到科技部、教育部、中組部、國家自然科學(xué)基金委、中國科大、清華大學(xué)等機(jī)構(gòu)的大力支持。
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