中國(guó)儲(chǔ)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(gè)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(duì)應(yīng)版本。而且，硅烯還具備石墨烯沒(méi)有的一些優(yōu)勢(shì)，例如，硅烯的非共面結(jié)構(gòu)使得硅烯具有更強(qiáng)的自旋軌道耦合，能在狄拉克點(diǎn)能打開更大的能隙，從而實(shí)現(xiàn)可觀測(cè)的量子自旋霍爾效應(yīng)。硅烯還被認(rèn)為是二維拓?fù)浣^緣體，其能帶結(jié)構(gòu)能被外加的電場(chǎng)和磁場(chǎng)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?fù)湎嘧兊刃缕媪孔蝇F(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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)出了硅烯，觀測(cè)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(shí)驗(yàn)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(bào)導(dǎo)在ZrB2和Ir(111)表面上生長(zhǎng)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(lái)源。
近期，表面室SF09組吳克輝研究員、陳嵐副研究員等進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了硅烯的√3×√3蜂巢狀結(jié)構(gòu)在低溫下會(huì)發(fā)生自發(fā)對(duì)稱破缺，展現(xiàn)出兩種鏡像對(duì)稱的三角形結(jié)構(gòu)（圖1a），相同結(jié)構(gòu)的三角形晶格會(huì)形成大面積的晶疇，相鄰晶疇之間會(huì)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(shí)為理論理解這一結(jié)構(gòu)提供了新思路。對(duì)此，中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(duì)該體系進(jìn)行了細(xì)致的理論研究。他們認(rèn)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(qiáng)作用之間，而傳統(tǒng)DFT計(jì)算方法對(duì)這類非化學(xué)鍵作用的描述并不準(zhǔn)確。為此他們使用近年來(lái)發(fā)展的范德華修正密度泛函方法計(jì)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(duì)稱且能量簡(jiǎn)并的√3×√3三角形結(jié)構(gòu)（圖1b, 2c）。這兩個(gè)三角形低溫相之間的轉(zhuǎn)換勢(shì)壘小于30meV每原子（圖1d），這意味著微小的熱擾動(dòng)都能導(dǎo)致兩個(gè)低溫相之間會(huì)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(xiàng)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(dú)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(diǎn)處還會(huì)打開一個(gè)比較大的能隙（150meV，見(jiàn)圖1e），這無(wú)疑對(duì)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(guò)結(jié)構(gòu)改性來(lái)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(xiàn)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(guò)低溫掃描隧道譜研究硅烯的電子結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在4k溫度下硅烯的費(fèi)米面處有一個(gè)約70meV的能隙 (圖2a)。該能隙相對(duì)費(fèi)米能級(jí)對(duì)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(shì)，直至40K時(shí)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(rèn)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(gè)發(fā)現(xiàn)如果被證實(shí)，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(guó)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(jì)算得到的在Ag(111)表面的硅烯√3×√3重構(gòu)相。藍(lán)色大球?yàn)殂y原子，黃色小球?yàn)榈臀还柙樱t色球?yàn)楦呶还柙印?d) 兩種低溫相之間的轉(zhuǎn)換勢(shì)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(fèi)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。
