交大团队在二维晶体新材料锡烯研究上获突破

    上海热线8月15日讯，8月3日，国际学术期刊Nature Materials在线发表了上海交通大学物理与天文系钱冬和贾金锋教授的实验团队及其理论合作者完成的关于制备新型锡烯(Stanene)材料的学术论文。这一团队经过长期的深入实验探索，发现了合适的基底材料和生长条件，并成功地利用分子束外延技术在国际上首次制备出锡烯二维晶体薄膜材料。

    同日，国际学术期刊《自然》杂志在以"Physicists announce graphene's latest cousin: stanene"为题报道了该成果并重点介绍了这种全新的二维晶体材料奇特的物理特性。国内外相关领域的多位学者肯定了此项成果是二维晶体材料研究领域的重要突破，评价说这是未来实现其奇特性能应用的关键性第一步"。英国皇家化学学会学术网站Chemistryworld于8月5日以"New two-dimensional tin material created"为题对该项研究进行了详细报道。8月7日Science alert杂志也以"Physicists produce world's first sample of potential wonder-material: stanene"为题报道了该工作。

    随着石墨烯研究的巨大成功，类石墨烯结构的IV族元素二维晶体材料成为凝聚态物理和材料科学领域关注的焦点。2013年，斯坦福大学张首晟教授理论预言，二维类石墨烯晶体锡烯具有极其优越的物理特性，是一类大能隙二维拓扑绝缘体，有可能在室温下实现无损耗的电子输运，因此在未来更高集成度的电子学器件应用方面具有极其重要的潜在价值。同时，通过对锡烯的调控，还能够实现拓扑超导态、优越的热电效应、室温下的反常量子霍尔效应等新奇特性。不过，虽然锡烯在理论上是一种非常理想的新型量子材料，但是由于巨大的材料制备和物理认知上的困难，如何在实验上制备出锡烯材料，成为当前国际凝聚态物理和材料学领域科研人员努力的重要前沿焦点。

    上海交通大学物理与天文系贾金锋教授的实验团队长期致力于新型量子材料的制备与研究，曾经在国际上率先制备出拓扑绝缘体/超导体异质结，在薄膜外延生长方面有丰富的经验。外延生长中，衬底的选择是非常重要的。通常要选择与待生长材料晶格相差很小的材料做衬底，但单层锡烯在晶格失配度非常小的半导体InSb衬底上的生长却失败了。该团队尝试了其它几种衬底，但都没有成功。能不能找到合适的衬底，令团队的每个人都非常担心。受他们以前在碲化铋衬底上成功制备二维拓扑绝缘体铋单层薄膜的启发，最终他们决定在碲化铋衬底上进行再一次尝试。经过不断的摸索，在精确控制好生长条件后，他们终于发现在这个衬底上，Sn原子的生长方式发生了变化，逐渐形成了层状的薄膜，就这样人们梦寐以求的锡烯被制备出来了。

    为了证明所制备的薄膜是锡烯，研究过程中团队还克服了两大难题。第一个难题是如何确定单个锡烯薄膜中双原子层的相对高度。通常情况下，扫描隧道显微镜只能看到最表面的一层原子，无法看到下面的第二层原子。通过大量的实验比对，研究团队最终成功观察到双原子层内部结构，并精确测定了双原子层的相对高度。第二个难题是如何确定外延薄膜的电子能带结构。由于薄膜厚度不到0.4纳米，而用来确定电子能带结构的角分辨光电子能谱信号中包含了众多的基底信号，这造成了极大的混淆。研究团队创新性地将锡烯的生长设备搬到同步辐射光源，利用同步辐射光源光子能量和光子偏置可变的特性，成功实现了锡烯的电子能带结构和基底信号的完全分离，并进一步利用原位表面电子掺杂的方法，精确确定了空态的部分能带结构。研究团队发现，实验确定的原子结构及电子能带结构和第一性原理计算的结果具有优异的一致性，从而真正地证实外延生长的确是二维锡烯薄膜。这篇论文在国际上受到了极大关注。

    贾金锋表示：我们的实验成果为未来实现其奇特物理性能提供了重要的条件。今后研究的最大挑战是如何实现基底和薄膜电学上的隔离，以便探究其特殊的电学特性。我们将进一步系统、深入地开展锡烯薄膜晶体结构和电子结构的调控、量子输运特性测量等重要后续研究。

    据悉，这项工作主要是在中国科技部、国家自然科学基金委的资助下，由上海交大贾金锋教授领衔的实验团队与清华大学、斯坦福大学张首晟教授的理论团队携手，历时两年完成。