中國粉體網(wǎng)訊  近日，上海交通大學物理與天文系凝聚態(tài)物理研究所低維物理和界面工程實驗室研究團隊與美國斯坦福大學張首晟的理論團隊合作首次實現(xiàn)了錫烯實驗研究的重大突破。張首晟教授和清華大學徐勇教授對錫烯的研究提供了第一性原理計算支持。該項研究成果在Nature Materials在線發(fā)表。

　　隨著石墨烯研究的巨大成功，類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維晶體材料成為物理和材料科學領(lǐng)域關(guān)注的焦點。其中，基于錫（Sn）的二維類石墨烯晶體錫烯（Stanene）被認為具有極其優(yōu)越的物理特性。2012到2013年間，理論學家們預言，錫烯是一種可以在室溫下工作的大能隙二維拓撲絕緣體，可實現(xiàn)室溫下無損耗的電子輸運，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。同時，通過對錫烯的調(diào)控，還能夠?qū)崿F(xiàn)拓撲超導態(tài)、優(yōu)越的熱電效應、室溫下的反常量子霍爾效應等新奇特性。

　　錫烯是一種理論上非常理想的新型量子材料。如何在實驗上實現(xiàn)錫烯材料已成為當前國際物理學家的重要目標。錫烯的晶體結(jié)構(gòu)是基于金剛石結(jié)構(gòu)的a-錫，和石墨不同，a-錫不是層狀結(jié)構(gòu)，無法用機械剝離的方法獲得單層的錫烯。而且，體材料的a-錫在室溫下不能穩(wěn)定存在。雖然穩(wěn)定的a-錫厚薄膜能夠在晶格失配度非常小的半導體InSb基底上生長，但在InSb基底上生長單層錫烯卻一直無法實現(xiàn)。過去幾年中，制備單層錫烯成為二維晶體材料和拓撲態(tài)材料領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。

    上海交通大學物理與天文系凝聚態(tài)物理研究所低維物理和界面工程實驗室博士生朱鋒鋒在錢冬、賈金鋒兩位教授指導下，經(jīng)過近兩年的反復實驗，終于找到了合適的基底材料和生長條件，利用分子束外延生長技術(shù)在國際上首次實現(xiàn)了錫烯二維晶體薄膜。在整個研究過程中，研究團隊面臨的另外一個關(guān)鍵問題是如何確定外延的薄膜是錫烯薄膜。為了回答這個問題，研究團隊克服了兩大難題。第一個難題是如何確定單個錫烯薄膜中雙原子層的相對高度（buckling）。通常情況下，掃描隧道顯微鏡只能看到最表面的一層原子，無法看到下面的第二層原子。通過大量的實驗，博士生陳維炯終于成功觀察到雙原子層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，精確測定了雙原子層的相對高度。第二個難題是如何確定外延薄膜的電子能帶結(jié)構(gòu)。由于薄膜厚度不到0.4納米，用來確定電子能帶結(jié)構(gòu)的角分辨光電子能譜信號中包含了眾多的基底信號，造成了極大的混淆。為了解決這個問題，研究團隊將錫烯的生長設(shè)備搬到同步輻射光源，利用同步輻射光源光子能量和光子偏置可變的特性，實現(xiàn)了錫烯的電子能帶結(jié)構(gòu)和基底信號的完全分離，還進一步利用原位表面電子摻雜的方法，確定了空態(tài)的部分能帶結(jié)構(gòu)。研究團隊發(fā)現(xiàn)，實驗精確確定的原子結(jié)構(gòu)及電子能帶結(jié)構(gòu)和第一性原理計算的結(jié)果具有非常好的一致性，從而確信無疑地證實了外延生長的薄膜就是二維錫烯。

　　錫烯薄膜的實驗實現(xiàn)，為開展其物性研究打來了大門，將對二維拓撲電子學材料的發(fā)展起到重要的推動作用。低維物理和界面工程實驗室的研究團隊將進一步深入開展錫烯薄膜晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控、量子輸運特性測量等一系列后續(xù)研究。低維物理和界面工程實驗室隸屬于教育部人工結(jié)構(gòu)和量子調(diào)控重點實驗室，是國家先進微結(jié)構(gòu)創(chuàng)新中心的成員。此項研究得到了科技部、中組部、國家自然科學基金委、上海市科委、上海市教委等機構(gòu)的大力支持。