東南大學陶立教授Chem Soc Rev共同通訊專家綜述： 硅烯及其衍生二維材料與器件

二維X-烯（Xene）是一類新型的二維電子材料。與石墨烯相比，具有非平面折疊蜂窩狀的原子結構和更大的元素質量，因而具有強很多的自旋-軌道耦合，能表現出超越石墨烯的獨特物理性質，是研究低維量子物理和新奇拓撲效應的理想材料體系。硅烯是二維X-烯的新生代表，六元環中三個硅原子與其余三個分處在具有垂直位移的兩個水平平面上，即存在豎直方向上的位移。近幾年的理論計算認為這一豎直位移導致硅烯在外部場和表面相互作用下可呈現純平面石墨烯難以達到的特殊物理特性，包括量子自旋霍爾效應、巨磁電阻和應變相關熱傳導。盡管硅烯的這一特殊結構早在20多年前（先于石墨烯）已經被預測，并且2012年硅烯在銀（111）單晶上的外延生長獲得成功，但是其器件物理的實驗工作進展緩慢。這主要是因為作為介穩材料的硅烯極其不穩定，即使在有氧化鋁覆蓋薄膜的情況下，一旦離開作為外延生長基底的銀，會迅速失穩蛻變。這使得石墨烯或其他二維材料廣泛使用的蝕刻轉移和器件制造工藝對硅烯不適用。由此反映出X-烯在常溫常壓下的穩定性和器件制作工藝的可移植性是亟需解決的技術難題。

來自意大利國家研究委員會微電子與微系統研究所的Alessandro Molle高級研究員、東南大學材料學院陶立教授和美國德克薩斯大學奧斯汀微電子及工程研究中心Deji Akinwande教授作為共同通訊作者近日在Chemical Society Reviews（IF>40）上發表了題為Silicene, silicene derivatives, and their device的Review Article（系2D nanomaterials: beyond graphene and transition metal dichalcogenides系列專家約稿綜述八月份第一篇，之前六月和七月分別刊登了中科院成會明院士以及高鴻鈞院士的同系列綜述文章）。

該綜述梳理了近180多篇幾年來在面向器件應用的單層及多層硅烯生長、材料表征、封裝移植、器件制備及電學表征的實驗研究突破與進展，展望了前景和待解決的問題。文章從硅烯的生長入手，闡述了拉曼表征與硅烯結構的對應關系，重點講述了以硅烯為代表的X-烯封裝移植及器件制備技術的策略方案。此策略方案的核心依據為陶立教授于2015年探索的名為硅烯封裝及原位銀電極（英文縮寫SEDNE）的封裝移植及器件制備技術。該技術關鍵思路是將硅烯封閉封裝在氧化鋁與銀（111）基底之間形成三明治結構，既在轉移過程中穩定硅烯，保留的銀在器件制備過程中轉換功能作為接觸電極。因此，陶立教授于2015年首次成功演示了世界首個硅烯場效應管器件，并實驗觀測到雙極性電荷運輸現象，同時還外推出在理論預期范圍內的帶隙大小。為解決理論界關于硅烯電子結構的解析（比如狄拉克點及費米子，外電場作用下可調控的微小帶隙）提供了寶貴的實驗證據。陶立教授報道此項工作的Nature Nanotechnology一作論文（3年引用532次）被TIME blog《時代周刊》雜志博客，Nature News,?MIT Tech Review等50多家媒體報道，入選Discover 2015全球100項科技進步新聞第33名。

單層硅烯器件表現出與相同單層石墨烯器件相似的電輸運特性，但具有更高的柵極調制和電學性能多樣性（比如拓撲相變開關器件）。更可觀的是，作為當今主流半導體材料單晶硅的同素異形體，具有其它二維材料難以企及的無縫兼容優勢。以硅烯為例的封裝移植及器件集成技術還能拓展到其它X-烯材料中，在電子學，光學，熱學和能源等領域具有廣泛應用前景。然而，目前，關于X-烯的研究還有很多工藝和技術問題未被解決，其中，空氣中的不穩定性是最需要解決的問題。盡管還有一些技術細節尚待解決，最新的2D-X烯材料與器件研究將對下一代半導體技術提供很大的推動促進作用。

此次Chemical Society Reviews約稿綜述文章得到了國家千人計劃青年人才、國家自然科學基金（51602051）和中央高校基本科研業務費專項基金（2242017R30008）等項目資助。

圖1.硅烯有別于體塊單晶硅的獨特化學結構

圖2.硅烯的各種生長制備方法。

圖3.硅烯的不同點陣結構可由原位氧化鋁隔絕保護。

圖4.硅烯三明治封裝移植及器件制備工藝。

圖5.可用于更廣泛翹曲二維材料器件制備的普適策略（UXEDO）

圖6.實驗測量的單層與多層硅烯的直流伏案特性曲線。

圖7.硅烯有望實現有別于傳統CMOS的新型量子拓撲相變開關器件。

全文鏈接：http://dx.doi.org/10.1039/C8CS00338F

該綜述提到的部分重要參考文獻：

Vogt, P. De Padova, C. Quaresima, J. Avila,E. Frantzeskakis, M. C. Asensio, A. Resta, B. Ealet and G. Le Lay, Phys. Rev. Lett., 2012, 108, 155501 （首次理論預測硅烯具有類石墨烯的材料物理性能）

Ni, Q. Liu, K. Tang, J. Zheng, J. Zhou, R. Qin, Z. Gao,D. Yu and J. Lu, Nano Lett., 2012, 12, 113–118. （首次理論預測硅烯具有可調控帶隙，北京大學呂勁課題組）

L.Chen, C.-C. Liu, B. Feng, X. He, P.Cheng, Z.Ding, S. Meng, Y. Yao and K. Wu, Phys. Rev. Lett., 2012, 109, 056804 （首次理論預測硅烯的狄拉克費米子，中科院物理所吳克輝團隊）

Chiappe, C. Grazianetti, G. Tallarida, M. Fanciulli and A. Molle, Adv. Mater., 2012, 24, 5088–5093 （STM實驗研究銀111外延生長硅烯的原子及電子結構的先鋒工作）

Tao, E. Cinquanta, D. Chiappe, C. Grazianetti,M. Fanciulli, M. Dubey, A. Molle and D. Akinwande, Nat.Nanotechnol., 2015, 10, 227–231 （首次制備及實驗觀測硅烯場效應晶體管并實驗證實了狄拉克費米子的存在）

作者簡介：

陶立，東南大學材料科學與工程學院教授，國家第十二批青年千人。主要研究方向包括二維半導體材料與器件，微納精細加工在柔性電子器件和生物醫療上的交叉應用。已發表SCI論文30余篇（一作Nature Nanotechnology，ACS Nano，Small等10余篇），WoS他引1800次（一作單篇最高引用532次，單篇引用超100次論文5篇）。在MRS，IEEE，APS等國際會議上作邀請報告8次，擔任國際三束及納米制備技術大會（EIPBN）常務委員，中國材料學會青年委員會理事，《中國化學快報》青年編委及納米生物材料副主任，國自然基金項目評審專家。

本文由課題組團隊供稿。

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