北理工姚裕貴教授的硅烯研究取得階段性進(jìn)展
發(fā)布日期：2013-05-29
閱讀次數(shù)：供稿：物理學(xué)院 周格羽 編輯：黨委宣傳部 趙琳
硅烯(silicene)是單層硅原子構(gòu)成的有起伏的二維六角蜂窩結(jié)構(gòu)，硅烯的晶體結(jié)構(gòu)和能帶圖。(a),(b)分別為側(cè)視圖和俯視圖。(c)定義了一個起伏角度。(d) 能帶圖。放大的部分為由于自旋軌道耦合作用在狄拉克點打開的能隙結(jié)構(gòu)。一方面，硅烯由于具有與石墨烯類似的六角蜂窩結(jié)構(gòu)，使得石墨烯中大多數(shù)新奇的物理性質(zhì)，比如低能相對論的線性色散關(guān)系，都可以在硅烯中實現(xiàn)；另一方面由于硅烯具有起伏的結(jié)構(gòu)，使得硅烯擁有石墨烯所不具有的一些優(yōu)異性質(zhì)。
近年來，姚裕貴教授研究組對硅烯體系進(jìn)行了深入的研究，取得了一系列突出成果。量子自旋霍爾效應(yīng)概念最早由Pennsylvania 大學(xué)的Kane和Mele提出，并認(rèn)為在單層石墨烯樣品可實現(xiàn)。但姚裕貴教授等隨后的工作表明由于自旋軌道耦合在石墨烯中打開的能隙僅μeV量級，由此可以斷定在本征石墨烯中只有在極低溫（0.01mK）下才有可能觀測到量子化的自旋霍爾效應(yīng)。【Phys. Rev. B 75, 041401(R) (2007)，引用199次】。目前，實驗上量子自旋霍爾效應(yīng)僅在HgTe-CdTe量子阱體系中觀測到，而該材料制備非常困難，這使實驗研究受到很大的限制。想解決這一困境唯有另辟蹊徑，2011年，姚裕貴教授研究組預(yù)言了在硅烯中18K溫度下可以實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。 此外，該小組還預(yù)言了二維鍺與錫原子體系中也可實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)，并有可能在室溫下觀測到量子自旋霍爾效應(yīng)【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用59次；Phys. Rev. B 84, 195430 (2011)，引用24次】。硅烯可以非常好地與當(dāng)今的硅基半導(dǎo)體工藝兼容，這是其他量子自旋霍爾體系所不具有的，可以預(yù)期硅烯有廣泛的應(yīng)用前景。
上述理論預(yù)言的提出立即引起了國際上的廣泛興趣，許多世界頂級實驗室包括法國、日本和中國等國家的實驗小組都在努力合成硅烯材料，爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路在硅烯中尋找量子自旋霍爾效應(yīng)。最近，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授以及博士生劉鋮鋮在前面研究工作基礎(chǔ)上，與中科院物理所吳克輝研究員實驗小組以及孟勝研究員小組合作，對硅烯的晶體結(jié)構(gòu)及電子性質(zhì)展開了研究，并獲得了一系列進(jìn)展。通過在Ag表面上外延硅烯，發(fā)現(xiàn)了硅烯在Ag（111）面上形成新奇的√3x√3超結(jié)構(gòu)相，同時結(jié)合第一原理計算，給出這種超結(jié)構(gòu)的可能原子結(jié)構(gòu)如圖2所示。該工作還證實了硅烯中的Dirac費米子的存在，為進(jìn)一步研究硅烯中的新奇量子效應(yīng)提供了堅實的基礎(chǔ)，成果發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 109, 056804 (2012)。此外進(jìn)一步理論計算結(jié)合實驗表明，在合適的溫度和覆蓋度下，能夠形成單原子層、甚至多原子層的硅烯薄膜。該工作對于如何制備硅烯薄膜給出了詳細(xì)的指導(dǎo)信息，成果發(fā)表在 Nano Lett. 12, 3507 (2012)。最近，姚裕貴研究組和合作者還研究了雙層硅烯的性質(zhì)，預(yù)測了該體系將會出現(xiàn)d+id'手性拓?fù)涑瑢?dǎo)性；通過對該體系施加應(yīng)變，進(jìn)一步預(yù)測在該體系中可能實現(xiàn)高溫超導(dǎo)性【arXiv:1208.5596】。如果能被實驗驗證，那么這一發(fā)現(xiàn)很有可能將會使現(xiàn)代硅工業(yè)進(jìn)入一個新紀(jì)元！需要指出的是，最近有實驗跡象表明，硅烯可能是超導(dǎo)體【arXiv:1301.1431】。 以上工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部的資助。
近年來，姚裕貴教授研究組對硅烯體系進(jìn)行了深入的研究，取得了一系列突出成果。量子自旋霍爾效應(yīng)概念最早由Pennsylvania 大學(xué)的Kane和Mele提出，并認(rèn)為在單層石墨烯樣品可實現(xiàn)。但姚裕貴教授等隨后的工作表明由于自旋軌道耦合在石墨烯中打開的能隙僅μeV量級，由此可以斷定在本征石墨烯中只有在極低溫（0.01mK）下才有可能觀測到量子化的自旋霍爾效應(yīng)。【Phys. Rev. B 75, 041401(R) (2007)，引用199次】。目前，實驗上量子自旋霍爾效應(yīng)僅在HgTe-CdTe量子阱體系中觀測到，而該材料制備非常困難，這使實驗研究受到很大的限制。想解決這一困境唯有另辟蹊徑，2011年，姚裕貴教授研究組預(yù)言了在硅烯中18K溫度下可以實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)。 此外，該小組還預(yù)言了二維鍺與錫原子體系中也可實現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)，并有可能在室溫下觀測到量子自旋霍爾效應(yīng)【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用59次；Phys. Rev. B 84, 195430 (2011)，引用24次】。硅烯可以非常好地與當(dāng)今的硅基半導(dǎo)體工藝兼容，這是其他量子自旋霍爾體系所不具有的，可以預(yù)期硅烯有廣泛的應(yīng)用前景。
上述理論預(yù)言的提出立即引起了國際上的廣泛興趣，許多世界頂級實驗室包括法國、日本和中國等國家的實驗小組都在努力合成硅烯材料，爭相投入到這場競爭中來，沿著這個思路在硅烯中尋找量子自旋霍爾效應(yīng)。最近，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授以及博士生劉鋮鋮在前面研究工作基礎(chǔ)上，與中科院物理所吳克輝研究員實驗小組以及孟勝研究員小組合作，對硅烯的晶體結(jié)構(gòu)及電子性質(zhì)展開了研究，并獲得了一系列進(jìn)展。通過在Ag表面上外延硅烯，發(fā)現(xiàn)了硅烯在Ag（111）面上形成新奇的√3x√3超結(jié)構(gòu)相，同時結(jié)合第一原理計算，給出這種超結(jié)構(gòu)的可能原子結(jié)構(gòu)如圖2所示。該工作還證實了硅烯中的Dirac費米子的存在，為進(jìn)一步研究硅烯中的新奇量子效應(yīng)提供了堅實的基礎(chǔ)，成果發(fā)表在Phys. Rev. Lett. 109, 056804 (2012)。此外進(jìn)一步理論計算結(jié)合實驗表明，在合適的溫度和覆蓋度下，能夠形成單原子層、甚至多原子層的硅烯薄膜。該工作對于如何制備硅烯薄膜給出了詳細(xì)的指導(dǎo)信息，成果發(fā)表在 Nano Lett. 12, 3507 (2012)。最近，姚裕貴研究組和合作者還研究了雙層硅烯的性質(zhì)，預(yù)測了該體系將會出現(xiàn)d+id'手性拓?fù)涑瑢?dǎo)性；通過對該體系施加應(yīng)變，進(jìn)一步預(yù)測在該體系中可能實現(xiàn)高溫超導(dǎo)性【arXiv:1208.5596】。如果能被實驗驗證，那么這一發(fā)現(xiàn)很有可能將會使現(xiàn)代硅工業(yè)進(jìn)入一個新紀(jì)元！需要指出的是，最近有實驗跡象表明，硅烯可能是超導(dǎo)體【arXiv:1301.1431】。 以上工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部的資助。
圖2 A、B， 1x1（AB）的硅烯和√3x√3超結(jié)構(gòu)（AB-A）的俯視圖和側(cè)視圖。注意在√3x√3超結(jié)構(gòu)的（2/3,2/3）的硅向下起伏。紅色、黃色和綠色分別代表A位、B位和-A位。C， 1x1（AB）的硅烯和√3x√3超結(jié)構(gòu)（AB-A）的結(jié)構(gòu)相圖。 D，大范圍的√3x√3超結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)：
1. Cheng-Cheng Liu, WanXiang Feng and Yugui Yao, Phys.Rev. Lett. 107, 076802 (2011).
2. Cheng-Cheng Liu, Hua Jiang and Yugui Yao, Phys. Rev. B 84, 10195430 (2011).
3. L. Chen, Cheng-Cheng Liu, B. Feng, X. He, P. Cheng, Z. Ding, S. Meng, Yugui Yao*, K. Wu*, Phys. Rev. Lett., 109, 056804 (2012)
4. B. Feng, Z. Ding, S. Meng, Yugui Yao, X. He, P. Cheng, L. Chen, and K. Wu, Nano Lett. 12, 3507 (2012).
5. Feng Liu, Cheng-Cheng Liu, Kehui Wu, Fan Yang, Yugui Yao，arXiv:1208.5596 (2012).
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