单层硅烯的电子结构和输运性质的研究

The silicon version of graphene in which Si atoms replace C atoms in a two-dimensional honeycomb lattice is named silicene. Theoretical calculations show that silicene also has graphene-like electronic band structure, supporting charge carriers behaving as massless Dirac fermions. Compared with graphene, silicene has a larger spin-orbit coupling strength, which may lead to a larger energy gap at the Dirac point and favor a detectable quantum spin Hall effect. Easy preparation and compatibility with silicon-based nanotechnology make silicene particularly interesting for applications like quantum spin Hall effect devices. Silicene does not exist in nature but has been successfully fabricated on metal Ag(111) recently. Experiments reveal similarities between silicene and graphene: honeycomb structure, linear dispersion of the electron band, as well as high Fermi velocity (10^6m/s). Based on these results, many further interesting studies may proceed. This project aims to reveal more fascinating properties of silicene and will give 3 specific proposals: (1)study the unique electronic behaviors of silicene under high magnetic field by utilizing Scanning Tunneling Microscopy, such as the Landau quantization and the superconductivity-like behavior; (2)investigate electrical resistivity of the Dirac-type electrons by using in-situ four-probe Scanning Tunneling Microscopy system; (3)explore new method of growing to realize the promising detections of quantum spin Hall effect(QSHE) and open new perspectives for applications.

硅烯是一种全新的单原子层材料，它由硅原子构成，具有类似于石墨烯的蜂窝状结构。大多数在石墨烯中发现的量子效应，都有望在硅烯中获得相应的体现。硅烯体系还具备石墨烯所没有的一些特质，例如量子自旋霍尔效应等。同时，硅烯材料可以与现有的硅基半导体工业完美兼容，因此可以预期硅烯在将来有着十分广泛的应用前景。这种新奇的材料在实验上已经被成功制备出，并被证实具有与石墨烯类似的Dirac型电子结构。本项目意图基于已有的实验基础，继续探索硅烯独特的电子结构，从深度和广度上不断推进对硅烯基本物性的研究，其中包括： 1. 利用扫描隧道显微镜对低温强磁场下的硅烯系统进行研究； 2. 利用四探针扫描隧道显微系统在超高真空内原位研究硅烯的Dirac型载流子的电输运性质；3. 在充分理解硅烯的形成机制和电子结构的基础上，探索新的生长模式，为下一阶段输运性质的测量做准备，逐步开发其在新型量子器件和自旋电子器件上应用的可能。

本项目意图在原有的实验基础之上，继续探索硅烯独特的电子结构，从深度和广度上进一步推进对硅烯基本物性的研究。在过去的三年中，根据项目计划书中的实施步骤与要求，我们开展了系统有效的研究工作，利用分子束外延与扫描隧道显微镜等实验技术对硅烯的性质进行了进一步的研究，其中包括硅烯的吸氢的实验研究，以及另外两种单层结构材料--硼烯和锗烯的成功制备。首先，在超高真空环境下，我们分别对硅烯的4×4相和2√3╳2√3相进行了氢化，获得了有序的氢化单层硅烯薄膜。其中，硅烯的4×4相在吸氢过程中伴随有一个结构相变，而2√3╳2√3相在饱和氢化后得到了半硅烷，证明了2√3╳2√3相是完整的硅烯薄膜，其重构实际上是由AB子格子之间的翘曲的硅原子排列受衬底影响造成的。吸氢实验对于理解硅烯的成键和结构提供了很好的参考，吸氢后Si原子的翘曲变化也为我们提供调控硅烯结构的一种方式。第二，理论预言，Ge与Si类似同样可以形成类石墨烯的准平面结构。我们采用分子束外延的方法在单晶层状锑金属表面上成功地制备出具有马赛克图形调制的单层锗烯。利用STM测量结合第一性原理计算，发现每个子晶表现为近自由悬浮锗烯的特性。同时驰豫计算结果也表明调制图样是锗烯与(111)面锑晶格失配所产生的应力所导致的。第三，硼烯也是一种理论学家们期待已久的二维材料。2015年，我们研究小组率先利用超高真空分子束外延（MBE）直接进行单原子层构筑的方法，在Ag(111)衬底上获得了单层硼烯，并发现了两种不同的相，分别对应于理论预言中的β12和χ3相结构。更进一步，除了这两种常见的结构之外，我们又观察到了另外两种结构，分别称之为S3和S4相。其中S3相同样对应于理论预言中的β12相，所不同的是相对于衬底旋转了30°。而S4相则具有六角晶格结构，与理论预言中我们期待已久的α相非常接近。