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石墨烯“表親”——錫烯的研究現狀簡述

錫烯的結構及基本性質

實驗隔離的單層二維石墨烯在過去的十年當中給二維材料開辟了研究的新方向。在這些材料當中逐漸地被延伸到硅烯,鍺烯,錫烯,氧化鋅和過渡金屬的硫族化物。在這些重要的同一主族的二維材料當中,錫烯是***重要的材料之一。它們大都擁有優異的導電性,但從理論上來說,錫烯更勝一籌。


2013年,斯坦福大學張守晟教授團隊預測烯錫可能會成為******上******種能在常溫下達到100%導電率的超級材料,遠勝近年來熱議的石墨烯,可實現室溫下無能量損耗的電子輸運,在未來更高集成度的電子學器件應用方面具有重要的意義。


較于石墨烯和硅烯,錫烯的鍵長更長,較弱的π—π鍵構成的平面結構相對不穩定,這樣就使得錫烯成為一種全新的獨立的不穩定平面結構。錫烯是一種既簡單綜合特性又好的二維材料,其電子結構和輸運性質的探究對于科研工作者而言尤為重要。


錫烯在理論上是一種非常理想的新型量子材料,它的晶體結構是基于金剛石結構的α-錫,和石墨不同,α-錫不是層狀結構,無法用機械剝離的方法獲得單層的錫烯,因此錫烯在制備方面面臨著諸多困難。室溫下,體材料的α-錫不能穩定存在。穩定的α-錫厚薄膜能夠在晶格失配度非常小的半導體InSb基底上高質量的生長。


錫烯的研究現狀

近來二維錫烯被認為是一種實現量子自旋霍爾效應的潛在材料,由于時間反演對稱性,自旋過濾螺旋邊緣態伴有無耗散自旋和電流沿著邊緣傳播,這樣就使得錫烯在自旋電子學和容錯量子計算有著重要的應用。


錫烯還被看做是一種具有突出熱電性質的二維材料,主要原因是它在邊緣態的傳導無耗散。除了電傳輸,熱傳輸也是能量和信息傳輸的一種重要形式。許多納米材料,例如石墨烯,碳納米管,在室溫條件下,較于電子導熱性都具有較高的聲子導熱性。另外一些其它的材料,例如金屬,在熱輸運當中電子的貢獻占主要的地位。


2015年,Zhu等人利用分子束外延生長技術在半導體三碲化二鉍(Bi2Te3)基底上構筑了錫烯二維晶體薄膜。如圖1所示,結合STM和DFT,他們證實了外延錫烯薄膜的低度翹曲雙原子層結構。角分辨光電子能譜表征發現了錫烯薄膜的能帶結構有空穴口袋(Hole Pockets)的特點,結合Bi2Te3基底的Rashba效應,使錫烯二維晶體薄膜有機會成為拓撲超導體。單層錫烯薄膜的制備,對在實驗上研究二維拓撲電子學材料起到重要的推動作用。


2015年的這一突破性的實驗,也是******次理論上預測的材料被證明存在。能夠成功獲得錫烯的難點主要是這些二維材料和底襯間的相互作用。錫烯不同于硅烯和鍺烯,它們由半導體元素組成,并且可以在金屬底襯上合成,但是在普通金屬表面的金屬錫更易于形成表面合金。


另外采用分子束外延法在Sb(111),Bi(111)表面也可以成功地生成單層的錫烯,結合掃描隧道顯微術,掃描隧道譜和******性原理的計算,在Sb(111)上的單層錫烯表面有一個扁平的蜂窩狀晶格,并且在錫烯納米帶中可以發現由于應變引起的電子帶工程效應。另外還可以通過外延生長法或者相變激光消融技術來獲取少層的錫烯。



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