金属Ir111表面硅烯的生长研究-纳米试验室.PDFVIP

金属Ir （111）表面硅烯的生长研究 硅烯，由于它具有和石墨烯类似的蜂窝状结构，作为另外一种新型的二维晶体材料引起了 越来越多人的关注和研究。在硅烯被认为是一种可能的材料之前，已经有很多理论学者和实验学 家研究了硅的纳米结构，如硅纳米线等。2007 年始，理论学者提出硅烯的概念并对其进行了模 拟计算，最近的理论研究表明硅原子倾向于形成一种起伏的层状结构，另外预测硅烯也具有非常 优异的物理性能，例如量子自旋的霍尔效应等。 目前最关键的就是硅烯的制备。我们知道由于石墨层间存在弱的范德华力，可以很容易的 从石墨中解理出石墨烯；但硅烯则不能从体硅中获得，是因为在体材料中，硅原子是以sp3 杂化 的形式存在的。这种硅与硅之间强的共价作用是很难被破坏的。这样，通过解理获得硅烯是不太 可能实现的。那么，在固体表面外延生长硅烯成为了一种主要的制备方法。最近，在Ag （111 ） 表面通过外延生长成功制备了硅烯。除了在Ag （111）表面，在以硅片为基底的二硼化锆薄膜上 面也成功制备了硅烯。这两项工作都观察到了硅烯的一种√3x √3的重构。这些实验结果都非常 吸引人。然而到目前为止硅烯的制备只限制在两种基底上。对于研究在其他基底上硅烯的可控生 长以及在原子尺度上研究它的本征的物理性质是非常有意义的。 最近，中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）纳米物理与器件实验室N04研究 组（高鸿钧研究组），通过外延的方法在金属基底Ir （111）表面成功制备出了硅烯。通过低 能电子衍射和扫描隧道显微镜的表征，它相对于金属铱基底表现为一种√7x √7的超结构。 这种结构恰好是和硅烯的√3x √3超结构相匹配的。第一性原理计算验证了这种超结构模型 并提出这是一层起伏的硅烯。重要的是，他们还通过电子局域函数计算出在基底Ir （111） 表面外延生长的硅烯是一层连续的二维膜结构。这个工作提供了一种制备高质量硅烯的方法， 并且对在硅烯表面观察有趣的量子现象提供了可能。 该项研究工作得到了国家自然科学基金，“973”项目和中国科学院的支持，相关结果发表 在Nano Lett. 13, 685 (2013)。 图1. Ir(111)表面硅结构的LEED图像和相应的示意图。（a ）虚线标示的衍射点来源于基底Ir(111)的六重对称性。 其他的衍射点来自硅的结构。（b）低入射电子能量下得到的LEED图像。（c ）（a ）图的示意图。每组衍射点 由白色，红色和蓝色箭头标示。（d）衍射点在实空间下的示意图。以上的数据表明LEED图像显示的是相对 于基底Ir(111) （基矢(a ,b ) ）硅的√7x √7的超结构 （基矢(a ,b )或(a ,b ) ）。 0 0 1 1 2 2 图2. （a ）在Ir(111)表面生长的硅的√7x √7超结构的STM 图像（U = -1.45 V, and I = 0.25 nA），超结构方向由 o 黄色箭头表示。基底Ir[1-10]方向由白色箭头表示。两个方向之间的夹角是41 。（b）在Ir(111)表面生长的硅 的√7x √7另外一种取向的超结构的STM 图像（U = -1.5 V, and I = 0.05 nA ），方向由蓝色箭头表示。它和基底 Ir[1-10]方向的夹角是19 o 。（c ）（b）图中沿黑色直线所示的剖面线，显示硅的超结构的周期约为0.72nm，起 伏约为0.6 Å 。 图3. （a ）放大的硅结构的STM图像。除了最亮的突起之外，还有另外两个具有不同对比度的区域，分别蓝 色和绿色三角表示。黑色六角形显示了蜂窝状的结构特征。（b）模拟的STM 图像，显示的特征和实验结果 一样，用同样的三角和六角表示。（c ）在(√7×√7)铱的基底上生长的(√3×√3)硅烯的弛豫原子模型。（d ）（c ） 图中弛豫原子模型的透视图，显示了在Ir(111)表面生长的一层起伏的硅烯。 图4. （a ）弛豫原子模型的整体电子局域化函数的顶视图（ELF值0.6 ）显示了硅烯的连