二维材料研究领域取得最新进展
2020-12-24 08:46:27
二维材料因其在多个领域中优异的性质受到广泛关注，是下一代电子器件中核心材料的有力竞争者。其中单元素二维材料里的锡烯，理论预测是一种具有宽带隙（~0.3 eV）的二维拓扑绝缘体，是探索拓扑相关物理问题的理想平台。近日，我校材料科学与工程学院/格莱特纳米科技研究院富克斯教授课题组对Au2Sn合金表面锡烯的生长机理和电学性质进行了探索，在国际著名期刊《物理化学快报杂志》（The Journal of Physical Chemistry Letters）（IF：7.329）上发表了题为“Phase Engineering of Epitaxial Stanene on a Surface Alloy”的研究文章，通讯作者为上海交通大学的牛天超副教授和北京化工大学的李晖教授，博士生周德春（南理工）和李和平（北化工）为共同第一作者。
尽管锡烯的性质在理论层面已有深刻的理解，但其实验制备一直存在诸多问题。周德春等人利用Sn在沉积过程中易于形成合金的规律，直接在Au(111)衬底上制备最稳定的合金相： Au2Sn，以它作为缓冲层去制备锡烯。作者通过扫描隧道显微镜，结合理论计算，对Sn的生长相变过程和电学性质进行了详细的表征。
首先，在调控衬底温度变量时，随着温度的升高，Sn的表面结构经历了从四聚体、四聚体空位到五聚体，再到六边形点状结构，最终在450 K高温下形成黑磷结构的锡烯（α相）的过程（图1ⅰ部分）。调控退火温度变量时，上述部分中间体会出现，在提高温度过程中发生一系列的相变，并在470 K退火后形成α相锡烯，进一步提高退火温度，将形成具有菱形晶胞的锡烯（β相），晶格常数为0.53 nm。值得一提的是，制备锡烯过程中发现的黑磷结构的α相锡烯也是首次报道。
图1. ⅰ：在不同衬底温度下直接进行Sn的沉积所得到的表面的原子分辨STM图以及总结实验结果的示意图，标尺：2.5 nm；ⅱ：在低温衬底（330 K）上进行Sn的沉积，并进行一系列的退火处理后得到的Sn表面的STM图，标尺（自左向右）：5 nm; 10 nm; 20 nm; 10 nm; 4 nm。
对于β相锡烯的电学性质，dI/dV谱表明其具有0.36 eV的带隙（图2(a)），这与理论计算的结果相一致（0.4 eV）（图2(b)）。同时，计算的电子局域函数也表明锡烯/Au2Sn体系中锡烯结构的稳定性（图2(c)），但锡烯中不同高度的原子与Au衬底间电荷转移的不同将引起锡烯中的Rashba分裂（图2(d)），使得锡烯在自旋电子器件中有着潜在的应用。
图2. (a) β相锡烯和六边形点状结构的dI/dV谱；(b)理论计算的β相锡烯/Au2Sn体系的能带结构；(c) β相锡烯-Au2Sn体系结构和电子局域函数的侧视图；(d)体系中电荷重排的等值面侧视图。
该工作细致地研究了表面合金衬底上锡烯制备过程中的生长机理和热力学过程，对二维材料生长的可控制备有利于进一步研究特定相的优异性质，工作中所采用的表面合金作为缓冲层的方法，也可以应用到其他二维材料中去，这些对于二维材料的高质量，大面积可控制备以及在器件中的应用有着重要意义。
近年来，富克斯教授团队在单元素二维材料的制备与表面改性方面进行了大量的研究，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Today、Nano Res.、J. Phys. Chem. Lett.等高水平期刊上发表论文十余篇。此次锡烯材料的制备也是团队继锑烯（Adv. Mater. 2019, 31, 1902606；Adv. Mater. 2020, 32, 1906873）和磷烯（ACS Nano 2020, 14, 2385−2394）制备工作后，在单元素二维材料制备方面的又一进展。
据悉，该项工作得到了江苏省自然科学基金和国家自然科学基金的共同支持。(文/南京理工大学）
尽管锡烯的性质在理论层面已有深刻的理解，但其实验制备一直存在诸多问题。周德春等人利用Sn在沉积过程中易于形成合金的规律，直接在Au(111)衬底上制备最稳定的合金相： Au2Sn，以它作为缓冲层去制备锡烯。作者通过扫描隧道显微镜，结合理论计算，对Sn的生长相变过程和电学性质进行了详细的表征。
首先，在调控衬底温度变量时，随着温度的升高，Sn的表面结构经历了从四聚体、四聚体空位到五聚体，再到六边形点状结构，最终在450 K高温下形成黑磷结构的锡烯（α相）的过程（图1ⅰ部分）。调控退火温度变量时，上述部分中间体会出现，在提高温度过程中发生一系列的相变，并在470 K退火后形成α相锡烯，进一步提高退火温度，将形成具有菱形晶胞的锡烯（β相），晶格常数为0.53 nm。值得一提的是，制备锡烯过程中发现的黑磷结构的α相锡烯也是首次报道。
图1. ⅰ：在不同衬底温度下直接进行Sn的沉积所得到的表面的原子分辨STM图以及总结实验结果的示意图，标尺：2.5 nm；ⅱ：在低温衬底（330 K）上进行Sn的沉积，并进行一系列的退火处理后得到的Sn表面的STM图，标尺（自左向右）：5 nm; 10 nm; 20 nm; 10 nm; 4 nm。
对于β相锡烯的电学性质，dI/dV谱表明其具有0.36 eV的带隙（图2(a)），这与理论计算的结果相一致（0.4 eV）（图2(b)）。同时，计算的电子局域函数也表明锡烯/Au2Sn体系中锡烯结构的稳定性（图2(c)），但锡烯中不同高度的原子与Au衬底间电荷转移的不同将引起锡烯中的Rashba分裂（图2(d)），使得锡烯在自旋电子器件中有着潜在的应用。
图2. (a) β相锡烯和六边形点状结构的dI/dV谱；(b)理论计算的β相锡烯/Au2Sn体系的能带结构；(c) β相锡烯-Au2Sn体系结构和电子局域函数的侧视图；(d)体系中电荷重排的等值面侧视图。
该工作细致地研究了表面合金衬底上锡烯制备过程中的生长机理和热力学过程，对二维材料生长的可控制备有利于进一步研究特定相的优异性质，工作中所采用的表面合金作为缓冲层的方法，也可以应用到其他二维材料中去，这些对于二维材料的高质量，大面积可控制备以及在器件中的应用有着重要意义。
近年来，富克斯教授团队在单元素二维材料的制备与表面改性方面进行了大量的研究，在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Nano Today、Nano Res.、J. Phys. Chem. Lett.等高水平期刊上发表论文十余篇。此次锡烯材料的制备也是团队继锑烯（Adv. Mater. 2019, 31, 1902606；Adv. Mater. 2020, 32, 1906873）和磷烯（ACS Nano 2020, 14, 2385−2394）制备工作后，在单元素二维材料制备方面的又一进展。
据悉，该项工作得到了江苏省自然科学基金和国家自然科学基金的共同支持。(文/南京理工大学）
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