物理与天文系在二维晶体新材料—锡烯研究方面取得重大突破

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。其中，基于锡(Sn)的二维类石墨烯晶体锡烯(Stanene)被认为具有极其优越的物理特性。2012到2013年间，理论学家们预言，锡烯是一种可以在室温下工作的大能隙二维拓扑绝缘体，可实现室温下无损耗的电子输运，在未来更高集成度的电子学器件应用方面具有重要的意义。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。
锡烯在理论上是一种非常理想的新型量子材料，如何在实验上实现锡烯材料成为凝聚态物理和材料物理学家的重要目标。锡烯的晶体结构是基于金刚石结构的α-锡。和石墨不同，α-锡不是层状结构，无法用机械剥离的方法获得单层的锡烯。室温下，体材料的α-锡不能稳定存在。稳定的α-锡厚薄膜能够在晶格失配度非常小的半导体InSb基底上高质量的生长。但是，在InSb基底上生长单层锡烯却失败了。过去几年中，单层锡烯成为二维晶体材料和拓扑态材料领域的重大挑战之一，进展非常缓慢。2015年，上海交通大学物理与天文系凝聚态物理研究所低维物理和界面工程实验室研究团队与美国斯坦福大学张首晟团队合作首次实现了锡烯实验研究的重大突破。该实验室博士生朱锋锋在钱冬、贾金锋两位教授指导下，经过近两年的反复实验，终于找到了合适的基底材料和生长条件，利用分子束外延生长技术第一次实现了锡烯二维晶体薄膜。

在整个研究过程中，研究团队面临的另外一个关键问题是如何确定外延的薄膜是锡烯薄膜，而不是其他晶体结构的锡薄膜。为了回答这个问题，研究团队克服了两大难题。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(buckling)。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，博士生陈维炯同学终于成功观察到双原子层内部结构，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0.2纳米，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，造成了极大的混淆。为了解决这个问题，研究团队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，实现了锡烯的电子能带结构和基底信号的完全分离，还进一步利用原位表面电子掺杂的方法，确定了空态的部分能带结构。研究团队发现，实验精确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非常好的一致性，从而真正地证实外延生长的确是二维锡烯薄膜。美国斯坦福大学物理系张首晟教授和清华大学徐勇教授对锡烯的研究提供了第一性原理计算支持。该项研究成果在Nature Materials在线发表【03 Aug. 2015 http://dx.doi.org/10.1038/nmat4384 】。
锡烯薄膜的实验实现，为开展其物性研究打来了大门，将对二维拓扑电子学材料的发展起到重要的推动作用。低维物理和界面工程实验室的研究团队将进一步深入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一系列后续研究。

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