Nano lett.：石墨烯薄膜的外延生長及帶結構

【引言】

石墨烯的發現激發了對基本二維（2D）材料的研究的巨大興趣，具有與其大量對應物不同的外來物理和化學性質。使用分子束外延，觀察到的非凡的電子結構展示了其在未來納米器件和光電器件應用中的前景。體積單晶Te是窄帶隙半導體（0.33eV）的理論研究提出了單層Te，α-Te，β-Te和γ-Te的三種結構類型，其中α-Te和β-Te分別為帶隙為0.75和1.47eV的半導體。因此，控制厚度可以實現從中紅外（0.3eV）到近紅外（1.5eV）的重要光譜范圍的Te膜下降到單個原子層。另一方面，由于Te原子數相對較高，Te原子表現出強烈的自旋軌道耦合。在外部應變下，通過理論研究預測了Te單晶的拓撲相變。另外，通過光電子能譜鑒定的大量新型量子材料，例如拓撲絕緣子Bi/Sb₂Te₃和ZrTe₅和拓撲半金屬W/MoTe₂都具有Te原子層作為構件，激發了對單層Te薄膜的廣泛研究興趣。然而，除了通過各種方法實現的不同類型的Te納米結構外，報道了Te膜的外延生長，原子尺度上的表征仍然不存在。

【成果簡介】

近日，中科院物理所王煒華和郭建東（共同通訊作者）課題組在Nano lett.上發表了題為“Epitaxial Growth and Band Structure of Te Film on Graphene” 的文章。該研究團隊通過MBE報告6H-SiC（0001）襯底上石墨烯表面上Te膜的范德華力（vdW）外延。在單層和幾層薄膜中獲得了Te的二維形式。通過掃描隧道顯微鏡（STM）研究，揭示了Te膜由平行排列的螺旋Te鏈組成，平坦地躺在石墨烯表面上，露出散裝Te晶體的（101?0）的（1×1）面。通過掃描隧道顯微鏡（STS）測量，Te膜的帶隙隨著厚度從0.33eV（體積）降低至0.92eV（單層）而單調增加，覆蓋從中紅外到近紅外的光譜范圍。此外，空間分辨的STS光譜顯示向上的帶彎曲，導致在單層Te和石墨烯的邊界處的空穴積聚。

【圖文導讀】

圖1 石墨烯上Te薄膜的地形圖

（a）大面積的STM圖像（3.125V/50pA）的生長的Te膜分布在基板（SiC）步驟（藍色箭頭所示）上；

（b）單層Te膜的高分辨率STM圖像（1.5V/30pA）；

（c）（6×6）重構石墨烯（圖像的上部）與單層Te膜（圖像的下部）之間的步長的STM圖像；

（d和e）分別如圖c所示的石墨烯和單層Te的快速傅立葉變換圖案。

圖2 D34（152＃）三角空間組的Te單晶晶格結構

（a）3D結構示意圖；

（b和c）分別為a0-b0和b0-c0平面；

（d）石墨烯/SiC（0001）上無限雙層Te膜的3D圖。

圖3 具有不同厚度的Te膜的帶隙演變

（a）在不同層的石墨烯/ SiC暴露梯田上的Te島的差分STM圖像；

（b）石墨烯底物和單層Te的dI/dV光譜（?800mV/100pA）；

（c）在L2，L3和L4上拍攝的dI/dV光譜，可以確定帶隙；

（d）Te膜的帶隙作為厚度的函數。

圖4 沿著圖3a中的虛線橙線拍攝的差分電導（dI/dV光譜）

（a）以對數刻度（-1.5V/100pA，調制為10mV）的2D彩色映射繪制dI/dV光譜（以1nm的間隔拍攝的50條曲線）；

（b）在具有相同顏色的面板a中標記的位置處獲得代表性的dI/dV光譜。

【小結】

該研究團隊通過vdW外延在石墨烯/6H-SiC（0001）襯底上生長單層和幾層Te膜。具有不同厚度的Te薄膜沿[101?0]方向形成于體積Te晶體的結構中，其中螺旋鏈平坦地位于每層中并且彼此平行。Te的帶隙隨著厚度的增加而單調增加，對于單層Te達到0.92eV。單層Te和石墨烯的邊界處觀察到向上的帶彎曲，表現出局部孔積聚。

文獻鏈接：Epitaxial Growth and Band Structure of Te Film on Graphene? （Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b01029）

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