中國儲能網(wǎng)訊：硅與碳同屬于元素周期表的IV族元素，理論工作表明，硅烯具備與石墨烯類似的狄拉克型電子結(jié)構(gòu)，其布里淵區(qū)同樣有六個線性色散的狄拉克錐。由此，很多在石墨烯中發(fā)現(xiàn)的新奇量子效應(yīng)，都可以在硅烯中找到相對應(yīng)版本。而且，硅烯還具備石墨烯沒有的一些優(yōu)勢，例如，硅烯的非共面結(jié)構(gòu)使得硅烯具有更強的自旋軌道耦合，能在狄拉克點能打開更大的能隙，從而實現(xiàn)可觀測的量子自旋霍爾效應(yīng)。硅烯還被認為是二維拓撲絕緣體，其能帶結(jié)構(gòu)能被外加的電場和磁場調(diào)制，出現(xiàn)量子反?；魻枒B(tài)、谷極化金屬態(tài)（valley-polarized metal phase）、拓撲相變等新奇量子現(xiàn)象。硅烯有著與石墨烯相似的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，也可應(yīng)用于以前構(gòu)想的基于石墨烯的器件中，此外，硅烯可以更好地與目前的硅技術(shù)相融合，更有利于大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)。
2012年初，中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）表面室SF09組吳克輝研究員、陳嵐副研究員等第一次在Ag(111)表面上利用分子束外延方法生長出了硅烯，觀測到單層硅烯在Ag(111)上表現(xiàn)為√3×√3的蜂巢狀結(jié)構(gòu)，同時驗證了該結(jié)構(gòu)具有Dirac型電子態(tài)（PRL 109, 056804(2012)；Nano Lett. 12, 3507(2012)）。此外，有報導(dǎo)在ZrB2和Ir(111)表面上生長出的硅烯也具有√3×√3的重構(gòu)結(jié)構(gòu)。由于√3×√3的蜂巢狀結(jié)構(gòu)是一種非公度結(jié)構(gòu)，一直缺乏完美的模型去解釋其原子結(jié)構(gòu)和Dirac電子態(tài)的來源。
近期，表面室SF09組吳克輝研究員、陳嵐副研究員等進一步發(fā)現(xiàn)了硅烯的√3×√3蜂巢狀結(jié)構(gòu)在低溫下會發(fā)生自發(fā)對稱破缺，展現(xiàn)出兩種鏡像對稱的三角形結(jié)構(gòu)（圖1a），相同結(jié)構(gòu)的三角形晶格會形成大面積的晶疇，相鄰晶疇之間會形成清晰的疇界。該相變行為展示出硅烯和石墨烯的不同，同時為理論理解這一結(jié)構(gòu)提供了新思路。對此，中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）表面室SF10組孟勝研究員、李暉副研究員、博士生丁子敬等對該體系進行了細致的理論研究。他們認為硅烯與銀襯底的作用應(yīng)該介于范德華弱作用力和化學(xué)吸附強作用之間，而傳統(tǒng)DFT計算方法對這類非化學(xué)鍵作用的描述并不準確。為此他們使用近年來發(fā)展的范德華修正密度泛函方法計算硅烯的重構(gòu)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)硅烯在低溫下自發(fā)形成兩種鏡像對稱且能量簡并的√3×√3三角形結(jié)構(gòu)（圖1b, 2c）。這兩個三角形低溫相之間的轉(zhuǎn)換勢壘小于30meV每原子（圖1d），這意味著微小的熱擾動都能導(dǎo)致兩個低溫相之間會發(fā)生快速自由轉(zhuǎn)變，使得在較高溫度下STM掃描只能看到兩種低溫相的疊加形態(tài)，即√3×√3的蜂巢狀結(jié)構(gòu)。這項工作非但完美解釋了硅烯的非公度√3×√3重構(gòu)，而且指出這種相與襯底作用較弱，近似于自由硅烯，能更好的保持硅烯本身獨特的物理特性。更特別的是與以往理論預(yù)言硅烯的1×1蜂巢結(jié)構(gòu)相比，√3×√3重構(gòu)相有著更大的翹曲程度，這使得其電子結(jié)構(gòu)中除了保持Dirac錐外，在Dirac點處還會打開一個比較大的能隙（150meV，見圖1e），這無疑對硅烯在電子器件中的應(yīng)用極為有利。硅烯結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也揭示了通過結(jié)構(gòu)改性來調(diào)控硅烯電子結(jié)構(gòu)的可能性。
該工作發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 110, 085504 (2013)。參與這些工作并做出重要貢獻的還包括馮寶杰、邱靜嵐等研究生以及程鵬博士后。
硅烯的奇特之處不止于此。最近，表面室SF09組吳克輝研究員、陳嵐副研究員和博士生馮寶杰通過低溫掃描隧道譜研究硅烯的電子結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，在4k溫度下硅烯的費米面處有一個約70meV的能隙 (圖2a)。該能隙相對費米能級對稱，在能隙邊界處有明顯的相干峰，且該能隙隨著溫度升高有明顯的變小趨勢，直至40K時完全消失。其變化特征與超導(dǎo)能隙極為吻合，在排除了其它幾種可能性后，他們初步認為該能隙是由硅烯在低溫下的超導(dǎo)態(tài)產(chǎn)生的，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在35K-40K之間（圖2b）。這個發(fā)現(xiàn)如果被證實，將是硅烯研究領(lǐng)域的里程碑式發(fā)現(xiàn)。該論文在arXiv上張貼后，引起了國際上的很大反響，目前已經(jīng)發(fā)表在Appl. Phys. Lett. 102, 081602(2013)。
圖1. (a)5K溫度下高分辨單層硅烯的STM圖像。(b)，(c) DFT計算得到的在Ag(111)表面的硅烯√3×√3重構(gòu)相。藍色大球為銀原子，黃色小球為低位硅原子，紅色球為高位硅原子。(d) 兩種低溫相之間的轉(zhuǎn)換勢壘。(e)硅烯√3×√3結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)。
圖2. (a)5K溫度下得到的硅烯的STS譜，在費米面處可以看到70meV的能隙。(b)硅烯隨溫度變化的STS譜，可以看到能隙在40K左右消失。
