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上海交大在二维晶体新材料锡烯研究获重大突破

近日,上海交通大学物理与天文系凝聚态物理研究所低维物理和界面工程实验室研究团队与美国斯坦福大学张首晟的理论团队合作首次实现了锡烯实验研究的重大突破。张首晟教授和清华大学徐勇教授对锡烯的研究提供了第一性原理计算支持。该项研究成果在Nature Materials在线发表。

  随着石墨烯研究的巨大成功,类石墨烯结构的二维晶体材料成为物理和材料科学领域关注的焦点。其中,基于锡(Sn)的二维类石墨烯晶体锡烯(Stanene)被认为具有极其优越的物理特性。2012到2013年间,理论学家们预言,锡烯是一种可以在室温下工作的大能隙二维拓扑绝缘体,可实现室温下无损耗的电子输运,在未来更高集成度的电子学器件应用方面具有重要的意义。同时,通过对锡烯的调控,还能够实现拓扑超导态、优越的热电效应、室温下的反常量子霍尔效应等新奇特性。

  锡烯是一种理论上非常理想的新型量子材料。如何在实验上实现锡烯材料已成为当前国际物理学家的重要目标。锡烯的晶体结构是基于金刚石结构的a-锡,和石墨不同,a-锡不是层状结构,无法用机械剥离的方法获得单层的锡烯。而且,体材料的a-锡在室温下不能稳定存在。虽然稳定的a-锡厚薄膜能够在晶格失配度非常小的半导体InSb基底上生长,但在InSb基底上生长单层锡烯却一直无法实现。过去几年中,制备单层锡烯成为二维晶体材料和拓扑态材料领域的重大挑战之一。

锡烯薄膜表面形貌图

锡烯薄膜原子模型图

锡烯薄膜电子能带结构

  上海交通大学物理与天文系凝聚态物理研究所低维物理和界面工程实验室博士生朱锋锋在钱冬、贾金锋两位教授指导下,经过近两年的反复实验,终于找到了合适的基底材料和生长条件,利用分子束外延生长技术在国际上首次实现了锡烯二维晶体薄膜。在整个研究过程中,研究团队面临的另外一个关键问题是如何确定外延的薄膜是锡烯薄膜。为了回答这个问题,研究团队克服了两大难题。第一个难题是如何确定单个锡烯薄膜中双原子层的相对高度(buckling)。通常情况下,扫描隧道显微镜只能看到最表面的一层原子,无法看到下面的第二层原子。通过大量的实验,博士生陈维炯终于成功观察到双原子层内部结构,精确测定了双原子层的相对高度。第二个难题是如何确定外延薄膜的电子能带结构。由于薄膜厚度不到0.4纳米,用来确定电子能带结构的角分辨光电子能谱信号中包含了众多的基底信号,造成了极大的混淆。为了解决这个问题,研究团队将锡烯的生长设备搬到同步辐射光源,利用同步辐射光源光子能量和光子偏置可变的特性,实现了锡烯的电子能带结构和基底信号的完全分离,还进一步利用原位表面电子掺杂的方法,确定了空态的部分能带结构。研究团队发现,实验精确确定的原子结构及电子能带结构和第一性原理计算的结果具有非常好的一致性,从而确信无疑地证实了外延生长的薄膜就是二维锡烯。

  锡烯薄膜的实验实现,为开展其物性研究打来了大门,将对二维拓扑电子学材料的发展起到重要的推动作用。低维物理和界面工程实验室的研究团队将进一步深入开展锡烯薄膜晶体结构和电子结构的调控、量子输运特性测量等一系列后续研究。低维物理和界面工程实验室隶属于教育部人工结构和量子调控重点实验室,是国家先进微结构创新中心的成员。此项研究得到了科技部、中组部、国家自然科学基金委、上海市科委、上海市教委等机构的大力支持。


                          来源:上海交通大学