硅烯表面上單層石墨烯“保護(hù)層”的構(gòu)筑及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)研究取得進(jìn)展

硅烯是硅原子排列成的蜂窩狀翹曲結(jié)構(gòu)。因其具有和石墨烯相似的幾何構(gòu)型，理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)硅烯的能帶結(jié)構(gòu)與石墨烯類似，在布里淵區(qū)的頂角(K點(diǎn))也存在狄拉克錐，載流子為無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子。由于硅原子比碳原子重，硅烯具有更強(qiáng)的自旋軌道耦合相互作用，理論預(yù)言有可能在硅烯中觀測到量子自旋霍爾效應(yīng)和量子反?；魻栃?yīng)。

理論計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，通過外加電場或堿金屬原子吸附等方式，可以調(diào)節(jié)硅烯狄拉克點(diǎn)處能隙的大小。然而，由于化學(xué)性質(zhì)較為活潑，硅烯在空氣中極容易被氧化。L. Tao等人在2015年首次成功制備出硅烯晶體管器件并測量了硅烯的載流子遷移率，然而，由于硅烯在空氣中的不穩(wěn)定性，他們制備的器件只存活了兩分鐘 [Nat. Nanotechnol., 2015, 10, 227]。

另一方面，基于硅烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)也被理論預(yù)言具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，但是由于硅在自然界中不存在類似石墨的層狀體材料，硅烯并不能通過傳統(tǒng)的機(jī)械剝離方式得到，而基于硅烯的異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系也就不能通過傳統(tǒng)的“堆疊”方式制備。因此，如何制備穩(wěn)定的硅烯和基于硅烯的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)目前在實(shí)驗(yàn)上面臨巨大挑戰(zhàn)。

近年來，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室高鴻鈞院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)等方面開展研究，取得了一系列居國際前沿的研究成果。

在過去十多年間，他們采用分子束外延生長方法, 1) 制備出了大面積、高質(zhì)量的石墨烯及類石墨烯二維原子晶體材料，如：外延石墨烯 [Chin. Phys. 16, 3151 (2007)， Adv. Mater. 21, 2777 (2009)]、硅烯 [Nano Lett. 13, 685 (2013)，Nano Lett. 17, 1161 (2017)]、鍺烯 [Nano Lett. 13, 4671 (2013)]、鉿烯 [Adv. Mater. 26, 4820 (2014)]、二硒化鉑與銅硒二維原子晶體 [Nano Lett. 15, 4013 (2015), Nat. Mater., 16, 717 (2017)]等; 2) 實(shí)現(xiàn)了石墨烯的多種單質(zhì)元素的插層 [Appl. Phys. Lett. 100, 093101 (2012), Appl. Phys. Lett. 99, 163107 (2011)]; 3) 揭示了單晶表面上石墨烯插層的普適機(jī)制 [J. Am. Chem. Soc. 137(22),7099 (2015)]等。這一系列工作為探索新型二維材料和構(gòu)筑二維材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。

最近，該研究團(tuán)隊(duì)的李更、張禮智（共同第一作者）和杜世萱研究員（共同通訊作者）等將STM實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算相結(jié)合，在構(gòu)筑單層石墨烯“保護(hù)“的硅烯及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究中取得了新的進(jìn)展。他們首先在Ru(0001)襯底上生長石墨烯層，并在其下插入硅原子以構(gòu)筑硅烯。同時，他們通過控制硅的量，在石墨烯下制備不同類型的硅烯納米結(jié)構(gòu)并通過掃描隧道顯微鏡（STM）成像分析。

在低劑量下，在石墨烯摩爾圖案的頂部（atop）區(qū)域下周期性排列的硅烯納米片段陣列是一種新型的本征圖案化的二維材料；而在較高劑量下，插入的Si形成硅烯單層。在更高的Si劑量下，在石墨烯和基底之間則形成多層硅烯。這一系列過程得到了第一性原理計(jì)算的證實(shí)。將所制備的石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)在空氣中暴露兩周，沒有顯示出可觀察到的損壞，表明了其良好的空氣穩(wěn)定性。異質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直輸運(yùn)特性表現(xiàn)出了整流效應(yīng)。

相關(guān)工作發(fā)表在《Advanced Materials》上。該工作得到了科技部（2013CBA01600, 2016YFA020230, 2018FYA0305800）、國家自然科學(xué)基金委（61390501, 61474141, 11604373）和中國科學(xué)院的資助。相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.201804650

圖1. 在石墨烯/Ru(0001)界面處的硅烯結(jié)構(gòu)形成示意圖。在退火過程中，沉積的Si原子插入到石墨烯和Ru基底之間。沉積量較小時，Si原子在石墨烯摩爾斑圖atop區(qū)域（隆起的區(qū)域）下方形成蜂窩狀硅烯納米薄片。隨著Si沉積量的增加，插層結(jié)構(gòu)形成硅烯單層結(jié)構(gòu)。

圖2. 硅烯納米薄片陣列的STM圖像及理論模擬。（a）STM形貌顯示Si插層后的石墨烯/Ru(0001)結(jié)構(gòu)。插圖為（a）的放大圖像。（b，c）分別為在-0.5 V和-0.1 V偏壓下在相同區(qū)域得到的硅烯和石墨烯的原子級分辨率圖像。（d）在石墨烯摩爾晶格atop區(qū)域下方插層26個Si原子組成的硅烯薄片的原子結(jié)構(gòu)模型。（e，f）分別為（d）中的模型在-0.5 eV和-0.1 eV下通過第一性原理計(jì)算模擬的STM圖像，與實(shí)驗(yàn)觀測到的一致。

圖3. 單層硅烯的STM圖像及理論模擬。（a）石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長在Ru(0001)表面的STM圖像。（b）表層石墨烯晶格的原子分辨率圖像。（c）(7×7)Ru(0001)/(√21×√21)硅烯/(8×8)石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的頂視圖和側(cè)視圖（超晶格元胞由紅色菱形標(biāo)記）。（d）（c）中構(gòu)型的第一性原理模擬STM圖像。

圖4. 石墨烯/硅烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子局域函數(shù)（ELF）計(jì)算和輸運(yùn)特性。（a，b）硅烯納米片和單層硅烯在硅原子平面的的電子局域函數(shù)（ELF）分布圖。c）在105 K下測量的石墨烯/硅烯/釕垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電流-電壓曲線，顯示典型的肖特基型整流行為。插圖是器件結(jié)構(gòu)和測量的示意圖。 d）伏安曲線的對數(shù)圖。通過將其與Schockley模型擬合得到的理想因子為1.5。