中國儲能網(wǎng)訊：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工藝兼容成為制造新一代的高性能電子學(xué)器件的新型二維材料。近年來, 中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國家實(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)]。他們還對石墨烯的控制生長、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)］。他們還首次提出了“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其進(jìn)行了模擬計(jì)算。最近的理論研究表明，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其物性進(jìn)行測量顯得尤為重要。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，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，通過解理獲得硅烯不可能實(shí)現(xiàn)，尋求新的制備方法勢在必行。在固體表面外延生長硅烯是一種有效的制備方法。最近的報(bào)道表明，在Ag(111)表面外延生長可以獲得硅烯。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，對硅烯的研究還剛剛起步，它的可控生長及其應(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、可控制備及性能調(diào)控方面的研究基礎(chǔ)，最近，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，通過外延生長的方法在金屬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，它相對于金屬銥基底表現(xiàn)為一種(√7×√7)的超結(jié)構(gòu)。第一性原理計(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)]評述了在三種不同基底上制備硅烯的開創(chuàng)性工作，該文章是其所引的三篇參考文獻(xiàn)之一。
該項(xiàng)研究工作得到了國家自然科學(xué)基金，“973”項(xiàng)目和中國科學(xué)院的支持。
圖1. Ir(111)表面硅層結(jié)構(gòu)的LEED圖像和相應(yīng)的示意圖，表明LEED圖像顯示的是相對于基底Ir(111)的硅層(√7×√7)超結(jié)構(gòu)。（a）虛線標(biāo)示的六個(gè)衍射點(diǎn)來源于基底Ir(111)的六重對稱性。其他的衍射點(diǎn)來源于硅層結(jié)構(gòu)。（b）在更低入射電子能量下得到的LEED圖像。（c）Ir(111)表面(√7×√7)超結(jié)構(gòu)的理想LEED圖像，和（a）圖一致。每組衍射點(diǎn)由白色，紅色和藍(lán)色箭頭標(biāo)示。（d）衍射點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)空間結(jié)構(gòu)示意圖, 基底Ir(111)基矢為(a0,b0)，硅層(√7×√7)超結(jié)構(gòu)基矢為(a1,b1)或(a2,b2)。
圖2. （a）Ir(111)表面生長的硅層(√7×√7)超結(jié)構(gòu)的STM圖像（U = -1.45 V, I = 0.25 nA），超結(jié)構(gòu)方向由黃色箭頭表示，基底Ir[1-10]方向由白色箭頭表示，兩個(gè)方向之間的夾角是41o。（b）硅層(√7×√7)超結(jié)構(gòu)第二種取向的STM圖像（U = -1.5 V, I = 0.05 nA），方向由藍(lán)色箭頭表示。它和基底Ir[1-10]方向的夾角是19 o。（c）（b）圖中沿黑色直線所示的剖面線，顯示硅層超結(jié)構(gòu)的周期約為0.72 nm，起伏約為0.6 ?。
圖3. （a）硅層結(jié)構(gòu)的放大STM圖像。除了最亮的突起之外，還有另外兩個(gè)具有不同起伏對比度的區(qū)域，分別藍(lán)色和綠色三角表示。（b）模擬的STM圖像，顯示的特征和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一樣，用同樣的三角和六角表示。（c）在(√7×√7)銥的基底上生長的硅烯的弛豫原子模型，銥(√7×√7) 超格子剛好對應(yīng)于硅烯的(√3×√3) 格子, 如平行四邊形所示。
圖4. （a）弛豫原子模型的整體電子局域化函數(shù)的頂視圖（ELF值0.6）顯示了硅烯的連續(xù)性。（b-d）不同位置硅原子對（橢圓形虛線）截面的電子局域化函數(shù)，顯示了在每對硅原子之間都存在共價(jià)相互作用。（e）硅原子和離它最近的銥原子之間的截面的電子局域化函數(shù)。ELF值在0.38附近，表明原子之間存在的是靜電的相互作用。
