Nano Lett.：單層硅材料在釕襯底上生長結構變化順序揭秘-從人字形結構到硅烯結構

【引言】

二維材料由于可以用來制備超薄、高質量、高載流子率的半導體層，成為當今研究的熱點。硅烯是一種新穎的二維材料，近年來引起了理論和實驗物理研究上的廣泛關注，已成為新材料領域的研究熱點之一。硅烯具有類似石墨烯的六角蜂窩結構，其低能激發也是無質量的狄拉克費米子，在石墨烯中發現的新奇量子效應，大多數都可以在硅烯中找到相對應的版本。與石墨烯相比，硅烯更容易與當代成熟的硅基半導體工藝兼容，因而在未來的自旋電子學和納米電子學器件領域可能具有廣泛的潛在應用前景。現在硅烯材料生長的襯底只有少數幾種被報道，而且生長襯底與制備樣品之間粘結力較大，這不僅會讓制備高質量的硅烯材料變得困難，而且也會阻礙硅烯材料生長機理的探究，因而找到好的硅烯生長襯底材料是厄待解決的問題。

【成果簡介】

近日，來自中科院物理所高鴻鈞院士（通訊作者）、杜世萱研究員（通訊作者）和美國田納西州大學Sokrates T. Pantelides教授（通訊作者）等人成功在釕襯底上制備出高質量的硅烯材料，揭示了其生長過程中硅二維材料結構的變化，并發現了一些獨特的硅二維材料結構。

他們用分子外延技術在Ru (0001) 襯底上制備硅二維材料，由于該襯底與制備樣品之間的粘結作用較小，所以他們制備的硅烯材料質量較高，而且有利于他們探索硅烯材料的生長機理。他們發現，當覆蓋率較低時，硅原子占據襯底三重空位的位置，從而形成一種人字形結構；當硅原子的覆蓋率增大，新的硅原子會吸附在人字形的彎頭處，形成第一個六邊形，這就是硅烯的成核生長；當更多硅原子到來時，在人字形彎頭處的初始六邊形會發展為小的峰窩狀補丁，之后這些補丁會變長變窄，從而形成一種人字形結構和硅烯結構交錯的納米帶。之后隨著硅原子的覆蓋率繼續增大，硅烯納米帶結構會發展為硅烯片狀結構，人字形結構消失。

作者找到一種十分合適的硅烯生長襯底材料，揭示了硅烯材料的生長過程，其中發現一些獨特的硅二維材料結構，推動了硅烯材料的研究。

【圖文導讀】

圖1 ?實驗過程和Ru（0001）襯底上硅人字形結構

（a）實驗過程中Ru（0001）襯底上硅單層結構建立（其中橘黃色小球代表硅原子，銀白色小球代表釕原子）。

（b）硅人字形二維材料的大面積掃描隧道顯微圖 (-0.10 V, 1.52 nA)。

（c）原子級分辨率的掃描隧道顯微圖 (-0.13 V, 2.94 nA)。其中單胞已經被白色長方形框出，兩個相臨人字形彎頭垂直距離用L₁表示，單個人字形鏈周期距離用L₂表示。

（d）硅人字形結構的原子模型。單胞被紅色長方形標出。

（e）硅人字形結構掃描透射顯微鏡的仿真模擬圖。

圖2 ?Ru（0001）襯底上硅人字形結構電子密度

（a）Ru（0001）襯底上硅人字形材料的幾何結構和電子密度。黑色虛線長方形標識出的是硅原子之間的本征電子密度，顯示的是硅原子之間的相互作用。而釕原子的電子密度被隱藏。

（b）電子密度分布側視圖。黑色虛線圓圈顯示的是硅原子和釕原子之間的本征電子密度。

圖3 ?人字形-蜂窩形超晶格點陣

（a）人字形-蜂窩形二維超晶格點陣的大面積掃描隧道顯微圖(-0.86 V, 0.22 nA)。圖表頂端的黑色箭頭是用來區分超晶格點陣中的蜂窩條紋。

（b）人字形-蜂窩形二維超晶格點陣的仿真模擬圖。

（c）拉近視野的掃描隧道顯微圖，其中蜂窩條紋被棕紅色標記，人字形紋帶被灰褐色 標記。

（d）高分辨掃描隧道顯微圖，顯示被扭曲的六邊形結構的細節(-3.8V, 0.38 nA) 。

圖4? 類硅烯蜂窩結構生長的成核位置的原理圖

（a）在彎頭處有額外硅原子（藍色小球）的人字形結構。橘黃色小球顯示的是人字型紋帶中的硅原子。位置1和位置2是密排六方的兩個空隙位置，如果這兩個位置被硅原子占據，就會形成六角形（被紅線所標記）。

（b）有多余硅原子（藍色）的初始人字形結構的分子動力學仿真模擬圖。

（c）分子動力學模擬快照顯示扭曲的蜂巢狀六邊形建立（扭曲的硅烯）。

圖5 Ru（0001）襯底上硅烯層的掃描隧道顯微圖、低能電子衍射圖和原子模型圖

（a）掃描隧道顯微圖，顯示的是Ru（0001）襯底上硅烯的超晶格結構 (√7×√7) 。(-1.32 V, 0.11 nA)。

（b）Ru（0001）襯底上單層硅的低能電子顯微圖。白色圓圈所標記的斑點是來自Ru（0001）襯底而其他斑點是來自硅烯。

（c）超晶格結構(√7×√7)兩個等價的區域的掃描隧道顯微圖 (-0.85 V, 0.11 nA) 。兩個區域分別被標記為紫色和紅色。綠色虛線顯示的是區域的邊界。綠色的箭頭指向的是兩個區域高對稱方向。

（d）優化原子模型的頂視圖。

（e）掃描隧道顯微鏡的仿真模擬圖。三個明顯的區域被圓圈標記，而且在文章中被討論。

（f）高分辨掃描隧道顯微圖(-0.85 V, 0.11 nA)。

【小結】

他們的工作找到一種硅烯生長合適的襯底（Ru（0001）），讓制備高質量的硅烯材料變得可能。他們也對硅烯生長的機理進行了探究，運用掃描隧道顯微鏡等多種手段揭示了硅烯生長結構變化，其中發現了一些獨特的硅二維材料結構。總的來說，他們的工作大大推動了硅烯的研究。

文獻鏈接：Sequence of Silicon Monolayer Structures Grown on a Ru Surface: from a Herringbone Structure to Silicene（Nano Letters，2017，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b04804）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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