以B、C、N元素为基础的类石墨烯材料的分子束外延制备与扫描探针显微镜研究

Two-dimensional (2D) materials are very interesting from both scientific and application viewpoints due to their unique planar structures and properties, as evidenced from the story of graphene. Prompted by the blossoming research in graphene, people started to explore other 2D materials with unique electronic and optical attributes. Substitution of the carbon atoms in the hexagonal lattice of graphene with its neighborhood boron (B) and nitrogen (N) atoms can obtain new graphene-like materials, including 2D boron sheets, single layer h-BN and single layer h-BCN, which have been successfully fabricated on metal substrate recently. Based on these results, many further interesting studies may proceed. This project aims to grow 2D boron sheet and single layer h-BCN by MBE and reveal their atomic structures and electron band structures by in-situ SPM system with q-plus sensor. We will also explore method of transferring 2D boron sheet and single layer h-BCN onto insulating substrates so as to investigate their electrical properties and realize the promising device applications.

石墨烯的出现推动了新型二维晶体材料科学的巨大发展，带动了一大批类石墨烯材料的发现与合成。B和N作为C元素的两个最近邻元素，在它们的单质或化合物中寻找类石墨烯的二维材料，无疑是一条便捷且可靠的途径。除了石墨烯以外，以B、C、N为基础的二维层状材料主要包括单层B原子层、单层六方氮化硼（h-BN）以及单层六方硼碳氮（h-BCN）。目前，这三种类石墨烯二维材料都已经陆续成为现实的存在，其中单层h-BN的制备与性质已经获得了比较充分的研究，而单层B原子层和单层h-BCN的的研究却刚刚开始。本申请项目意图基于已有的实验基础以及我所在的研究组的研究传统，首先利用分子束外延制备技术制备出单层B原子层和单层h-BCN，进而利用扫描探针显微镜技术对其进行原子结构和电子能带结构的表征，同时尝试将制备出的单层B原子层与单层h-BCN转移至SiO2等绝缘衬底表面，逐步开发其在新型量子器件上应用的可能性。

石墨烯的出现开启了二维材料的先河，打破了二维材料不能够稳定存在的结论，带动了一大批类石墨烯材料的发现与合成。寻找类似石墨烯的新型二维晶体材料，并探索其特殊物理化学性质是当前一个令人关注的研究方向。B作为C元素的最近邻元素，在它的单质或化合物中寻找类石墨烯的二维材料，无疑是一条便捷且可靠的途径。2015年，我们课题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)衬底上获得了这种理论期待已久的单层硼烯，并发现了硼烯的多种相，对应于三角晶格中不同周期的孔洞结构。以此为基础，在过去的四年中，我们继续开展了以B元素为基础的二维材料的制备与研究工作，通过选择不同的衬底，获得了具有多种不同结构的硼烯薄膜，并利用扫描隧道显微镜对其原子结构和电子结构进行了表征与研究工作。主要的研究内容包括：1. 蜂窝状结构硼烯薄膜的成功制备；2. 硼烯纳米带结构的成功制备；3. 实验可控合成有序的准一维硼烯链混合相；4. 含线缺陷硼烯中一维近自由电子态的研究。除此之外，我们还开展了另外两种二维材料的制备工作，包括具有翘曲蜂窝状结构的二维团簇型蓝磷烯薄膜的制备与研究以及单层氧化亚铁薄膜的制备及其原子结构的精确测量。