中國(guó)粉體網(wǎng)訊 記者從上海交通大學(xué)獲悉，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Nature Materials3日在線發(fā)表了上海交通大學(xué)物理與天文系錢冬和賈金鋒教授的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)及其理論合作者完成的關(guān)于制備新型錫烯(Stanene)材料的學(xué)術(shù)論文（http://dx.doi.org/10.1038/nmat4384）。同日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志在以“Physicists announce graphene’s latest cousin: stanene”為題報(bào)道了該成果并重點(diǎn)介紹了這種全新的二維晶體材料奇特的物理特性。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的多位學(xué)者肯定了此項(xiàng)成果是二維晶體材料研究領(lǐng)域的重要突破。
據(jù)介紹，隨著石墨烯研究的巨大成功，類石墨烯結(jié)構(gòu)的IV族元素二維晶體材料成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。2013年，斯坦福大學(xué)張首晟教授理論預(yù)言，二維類石墨烯晶體錫烯具有極其優(yōu)越的物理特性，是一類大能隙二維拓?fù)浣^緣體，有可能在室溫下實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗的電子輸運(yùn)，因此在未來(lái)更高集成度的電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有極其重要的潛在價(jià)值。同時(shí)，通過(guò)對(duì)錫烯的調(diào)控，還能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、優(yōu)越的熱電效應(yīng)、室溫下的反常量子霍爾效應(yīng)等新奇特性。不過(guò)，雖然錫烯在理論上是一種非常理想的新型量子材料，但是由于巨大的材料制備和物理認(rèn)知上的困難，如何在實(shí)驗(yàn)上制備出錫烯材料，成為當(dāng)前國(guó)際凝聚態(tài)物理和材料學(xué)領(lǐng)域科研人員努力的重要前沿焦點(diǎn)。
上海交通大學(xué)物理與天文系賈金鋒教授的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型量子材料的制備與研究，曾經(jīng)在國(guó)際上率先制備出拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，在薄膜外延生長(zhǎng)方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。外延生長(zhǎng)中，襯底的選擇是非常重要的。通常要選擇與待生長(zhǎng)材料晶格相差很小的材料做襯底，但單層錫烯在晶格失配度非常小的半導(dǎo)體InSb襯底上的生長(zhǎng)卻失敗了。該團(tuán)隊(duì)嘗試了其它幾種襯底，但都沒(méi)有成功。能不能找到合適的襯底，令團(tuán)隊(duì)的每個(gè)人都非常擔(dān)心。受他們以前在碲化鉍襯底上成功制備二維拓?fù)浣^緣體鉍單層薄膜的啟發(fā)，最終他們決定在碲化鉍襯底上進(jìn)行再一次嘗試。經(jīng)過(guò)不斷的摸索，在精確控制好生長(zhǎng)條件后，他們終于發(fā)現(xiàn)在這個(gè)襯底上，Sn原子的生長(zhǎng)方式發(fā)生了變化，逐漸形成了層狀的薄膜，就這樣人們夢(mèng)寐以求的錫烯被制備出來(lái)了。
為了證明所制備的薄膜是錫烯，研究過(guò)程中團(tuán)隊(duì)還克服了兩大難題。第一個(gè)難題是如何確定單個(gè)錫烯薄膜中雙原子層的相對(duì)高度。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(wú)法看到下面的第二層原子。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)比對(duì)，研究團(tuán)隊(duì)最終成功觀察到雙原子層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并精確測(cè)定了雙原子層的相對(duì)高度。第二個(gè)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，而用來(lái)確定電子能帶結(jié)構(gòu)的角分辨光電子能譜信號(hào)中包含了眾多的基底信號(hào)，這造成了極大的混淆。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將錫烯的生長(zhǎng)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，成功實(shí)現(xiàn)了錫烯的電子能帶結(jié)構(gòu)和基底信號(hào)的完全分離，并進(jìn)一步利用原位表面電子摻雜的方法，精確確定了空態(tài)的部分能帶結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(jì)算的結(jié)果具有優(yōu)異的一致性，從而真正地證實(shí)外延生長(zhǎng)的確是二維錫烯薄膜。
賈金鋒教授表示，我們的實(shí)驗(yàn)成果為未來(lái)實(shí)現(xiàn)其奇特物理性能提供了重要的條件。今后研究的最大挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)基底和薄膜電學(xué)上的隔離，以便探究其特殊的電學(xué)特性。我們將進(jìn)一步系統(tǒng)、深入地開(kāi)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(yùn)特性測(cè)量等重要后續(xù)研究。
據(jù)介紹，隨著石墨烯研究的巨大成功，類石墨烯結(jié)構(gòu)的IV族元素二維晶體材料成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。2013年，斯坦福大學(xué)張首晟教授理論預(yù)言，二維類石墨烯晶體錫烯具有極其優(yōu)越的物理特性，是一類大能隙二維拓?fù)浣^緣體，有可能在室溫下實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗的電子輸運(yùn)，因此在未來(lái)更高集成度的電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有極其重要的潛在價(jià)值。同時(shí)，通過(guò)對(duì)錫烯的調(diào)控，還能夠?qū)崿F(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)態(tài)、優(yōu)越的熱電效應(yīng)、室溫下的反常量子霍爾效應(yīng)等新奇特性。不過(guò)，雖然錫烯在理論上是一種非常理想的新型量子材料，但是由于巨大的材料制備和物理認(rèn)知上的困難，如何在實(shí)驗(yàn)上制備出錫烯材料，成為當(dāng)前國(guó)際凝聚態(tài)物理和材料學(xué)領(lǐng)域科研人員努力的重要前沿焦點(diǎn)。
上海交通大學(xué)物理與天文系賈金鋒教授的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于新型量子材料的制備與研究，曾經(jīng)在國(guó)際上率先制備出拓?fù)浣^緣體/超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，在薄膜外延生長(zhǎng)方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。外延生長(zhǎng)中，襯底的選擇是非常重要的。通常要選擇與待生長(zhǎng)材料晶格相差很小的材料做襯底，但單層錫烯在晶格失配度非常小的半導(dǎo)體InSb襯底上的生長(zhǎng)卻失敗了。該團(tuán)隊(duì)嘗試了其它幾種襯底，但都沒(méi)有成功。能不能找到合適的襯底，令團(tuán)隊(duì)的每個(gè)人都非常擔(dān)心。受他們以前在碲化鉍襯底上成功制備二維拓?fù)浣^緣體鉍單層薄膜的啟發(fā)，最終他們決定在碲化鉍襯底上進(jìn)行再一次嘗試。經(jīng)過(guò)不斷的摸索，在精確控制好生長(zhǎng)條件后，他們終于發(fā)現(xiàn)在這個(gè)襯底上，Sn原子的生長(zhǎng)方式發(fā)生了變化，逐漸形成了層狀的薄膜，就這樣人們夢(mèng)寐以求的錫烯被制備出來(lái)了。
為了證明所制備的薄膜是錫烯，研究過(guò)程中團(tuán)隊(duì)還克服了兩大難題。第一個(gè)難題是如何確定單個(gè)錫烯薄膜中雙原子層的相對(duì)高度。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(wú)法看到下面的第二層原子。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)比對(duì)，研究團(tuán)隊(duì)最終成功觀察到雙原子層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并精確測(cè)定了雙原子層的相對(duì)高度。第二個(gè)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，而用來(lái)確定電子能帶結(jié)構(gòu)的角分辨光電子能譜信號(hào)中包含了眾多的基底信號(hào)，這造成了極大的混淆。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將錫烯的生長(zhǎng)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，成功實(shí)現(xiàn)了錫烯的電子能帶結(jié)構(gòu)和基底信號(hào)的完全分離，并進(jìn)一步利用原位表面電子摻雜的方法，精確確定了空態(tài)的部分能帶結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)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(jì)算的結(jié)果具有優(yōu)異的一致性，從而真正地證實(shí)外延生長(zhǎng)的確是二維錫烯薄膜。
賈金鋒教授表示，我們的實(shí)驗(yàn)成果為未來(lái)實(shí)現(xiàn)其奇特物理性能提供了重要的條件。今后研究的最大挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)基底和薄膜電學(xué)上的隔離，以便探究其特殊的電學(xué)特性。我們將進(jìn)一步系統(tǒng)、深入地開(kāi)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(yùn)特性測(cè)量等重要后續(xù)研究。
