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粉体百科│石墨烯“表亲”——锡烯的研究现状简述

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  锡烯的结构及基本性质


  实验隔离的单层二维石墨烯在过去的十年当中给二维材料开辟了研究的新方向。在这些材料当中逐渐地被延伸到硅烯,锗烯,锡烯,氧化锌和过渡金属的硫族化物。在这些重要的同一主族的二维材料当中,锡烯是最重要的材料之一。它们大都拥有优异的导电性,但从理论上来说,锡烯更胜一筹。


  2013年,斯坦福大学张守晟教授团队预测烯锡可能会成为世界上第一种能在常温下达到100%导电率的超级材料,远胜近年来热议的石墨烯,可实现室温下无能量损耗的电子输运,在未来更高集成度的电子学器件应用方面具有重要的意义。


  较于石墨烯和硅烯,锡烯的键长更长,较弱的π—π键构成的平面结构相对不稳定,这样就使得锡烯成为一种全新的独立的不稳定平面结构。锡烯是一种既简单综合特性又好的二维材料,其电子结构和输运性质的探究对于科研工作者而言尤为重要。


  锡烯在理论上是一种非常理想的新型量子材料,它的晶体结构是基于金刚石结构的α-锡,和石墨不同,α-锡不是层状结构,无法用机械剥离的方法获得单层的锡烯,因此锡烯在制备方面面临着诸多困难。室温下,体材料的α-锡不能稳定存在。稳定的α-锡厚薄膜能够在晶格失配度非常小的半导体InSb基底上高质量的生长。


  锡烯的研究现状


  近来二维锡烯被认为是一种实现量子自旋霍尔效应的潜在材料,由于时间反演对称性,自旋过滤螺旋边缘态伴有无耗散自旋和电流沿着边缘传播,这样就使得锡烯在自旋电子学和容错量子计算有着重要的应用。


  锡烯还被看做是一种具有突出热电性质的二维材料,主要原因是它在边缘态的传导无耗散。除了电传输,热传输也是能量和信息传输的一种重要形式。许多纳米材料,例如石墨烯,碳纳米管,在室温条件下,较于电子导热性都具有较高的声子导热性。另外一些其它的材料,例如金属,在热输运当中电子的贡献占主要的地位。


  2015年,Zhu等人利用分子束外延生长技术在半导体三碲化二铋(Bi2Te3)基底上构筑了锡烯二维晶体薄膜。如图1所示,结合STM和DFT,他们证实了外延锡烯薄膜的低度翘曲双原子层结构。角分辨光电子能谱表征发现了锡烯薄膜的能带结构有空穴口袋(HolePockets)的特点,结合Bi2Te3基底的Rashba效应,使锡烯二维晶体薄膜有机会成为拓扑超导体。单层锡烯薄膜的制备,对在实验上研究二维拓扑电子学材料起到重要的推动作用。


  2015年的这一突破性的实验,也是第一次理论上预测的材料被证明存在。能够成功获得锡烯的难点主要是这些二维材料和底衬间的相互作用。锡烯不同于硅烯和锗烯,它们由半导体元素组成,并且可以在金属底衬上合成,但是在普通金属表面的金属锡更易于形成表面合金。


  另外采用分子束外延法在Sb(111),Bi(111)表面也可以成功地生成单层的锡烯,结合扫描隧道显微术,扫描隧道谱和第一性原理的计算,在Sb(111)上的单层锡烯表面有一个扁平的蜂窝状晶格,并且在锡烯纳米带中可以发现由于应变引起的电子带工程效应。另外还可以通过外延生长法或者相变激光消融技术来获取少层的锡烯。


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