硅烯的基础物理研究

Silicene is a pure silicon sheet with graphene-like structure, which has been theoretically proposed and experimentally fabricated only recently. It has attracted great interested because of its graphene-like electronic properties, and compatibility with the current silicon semiconductor industry. In this project we will focus on this new material and conduct in-depth experimental and theoretical investigation. We will first search for new substrates, especially insulating substrates that is suitable for the growth of silicene; Various surface analyzing techniques, such as low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS)/photoelectron spectroscopy, will be used to investigate the detail electronic structure in silicene, to reveal its unique characteristics and to discover novel quantum effects, including the high Tc superconductivity. We will explore different methods for manipulating the electronic structure and property of silicene, including doping, magnetic doping and hydrogen adsorption. Finally the device fabrication issues will be studied, such as surface capping, gating, and integration into the current devices. In all these studies we will conduct theoretical studies as well as experimental studies, to obtain a comprehensive and in-depth understanding of the physics underneath, and to push the theory of silicene forward.

硅烯是先由理论预言，最近才实验获得的、纯硅构成的类石墨烯材料，因具有类似石墨烯的电子性质以及与现有硅半导体工业的密切关系而受到重视。对这个全新的材料体系，从制备到物性都亟待探索。本项目将硅烯为对象，对其基本物理开展广泛而深入的实验和理论研究。在材料的制备方面，利用分子束外延手段研究硅在不同衬底上的生长规律，探索生长硅烯更好的衬底特别是绝缘衬底材料；利用低温扫描隧道显微镜/扫描隧道谱/光电子能谱等分析手段，对硅烯的电子结构开展深入的研究，揭示其特性以及发现新的量子效应，如对硅烯的超导电性的验证和探索等；同时，开展多种调控电子结构和物性的研究，例如掺杂(p型或n型)、磁性掺杂、吸氢等；开展关于器件的基础研究，如优化表面保护层以获得大气下稳定的硅烯、利用顶栅或背栅调控硅烯的电子浓度和迁移率、与现有硅器件的类比和集成等。同时，在这些研究中实验与理论紧密结合，推动硅烯的理论发展。

硅烯是纯硅构成的新型二维材料，因具有类似石墨烯的电子性质以及与现有硅半导体工业的密切关系而受到重视，项目申请团队在国际上领先独立实验获得了硅烯。对这个全新的材料体系，从制备到物性都亟待探索。本项目将硅烯为对象，对其基本物理开展广泛而深入的实验和理论研究。研究内容包括利用分子束外延手段研究硅在不同衬底上的生长规律，探索生长硅烯更好的衬底特别是绝缘衬底材料；对硅烯的电子结构开展深入的研究；同时，开展多种调控电子结构和物性的研究。经过项目组成员五年的努力，项目组在上述几个方面取得了丰富的成果。例如利用ARPES直接观察到单层硅烯/Ag(111)界面Dirac锥结构；对Ag(111)衬底上单层硅烯的氢化过程进行了研究，澄清了氢原子的吸附机理，并得到了理论上人们期待已久的半硅烷；利用多层硅烯转角堆垛形成的摩尔周期结构对硅烯的电子态进行调控，发现其能形成电子kagome格子而引入一个平带。此外在项目的支持下我们自主研发了低温STM-针尖增强拉曼光谱（TERS），其分辨率达到了国际领先的亚纳米空间分辨，利用TERS澄清了单层硅烯的声子谱的起源，以及发现一种前所未见的纯五元环组成的硅结构。在硅烯的研究获得成功的基础上，我们在另一个在理论界和工业界都受到很大关注的单元素二维材料—“硼烯”方面也取得了意外的突破。.总结本项目的工作，在基金委“硅烯”重点项目的支持下，在课题组成员五年来的努力下，项目获得和很大的成功，推动了硅烯成为国际上的一个新的研究热点。对于项目计划书中设置中的绝大多数任务目标，我们都取得了达到的或者超过目标的成果。对于个别研究方向，也存在客观实验结果和预期不符合的情况。例如我们计划研制硅烯的超导电性，但没有获得成功，在多项输运实验中没有观察到单层硅烯的超导现象，这些问题将留待后续的研究来开展。