镓烯在Si(111)表面的制备与物性研究

The rise of 2D materials began in 2004 with graphene. Its abundant electronic states and physical effects provide new opportunities for the manufacture of new electronic devices. In recent years, many analogues of graphene composed of a single element have been prepared successfully, such as the silicene, germanene, and stanene composed of carbon group elements, and the borophene, phosphorene composed of the elements locating at the neighboring columns of carbon in the periodic table. While, there are few reports on the analogues of graphene composed of other elements, such as gallium, which needs further study. This project will focus on this problem. Gallenene will be epitaxially grown on the Si(111) surface by changing the growth conditions (such as temperature and coverage) in the ultra-high vacuum environment. By the low temperature scanning tunneling microscopy and the first principles calculation, the growth process of gallenene on Si(111) will be studied, and the electronic structure and the band structure of gallenene will be revealed. By this, the growth kinetics of gallenene grown on Si(111) and its physical properties (such as topological insulation and superconductivity) will be investigated. The implementation of this project can promote the development of "gallenene", a new material, and has great significance in the fields of two dimensional materials and microelectronic devices in China.

二维材料的研究热潮兴起于2004年石墨烯的成功制备，其丰富多彩的电子态和物理效应为构筑新型的电子器件提供了新机遇。近几年间，与碳同族的硅烯、锗烯、锡烯，邻族的硼烯、磷烯等单元素烯陆续在实验室外延生长成功，而邻族的其它单元素烯（如：镓烯等）的外延生长与研究至今鲜有报道，有待进一步研究。本项目将围绕这个问题，拟在超高真空环境下，通过不断改变样品生长条件（如温度、覆盖度等）在半导体Si(111)表面上外延生长出“镓烯”，结合超高真空低温扫描隧道显微镜和第一原理计算方法，研究镓烯在Si(111)衬底上的生长过程，表征镓烯的几何结构，揭示镓烯的电子结构和能带结构。藉此探究镓烯在Si(111)表面的生长动力学行为，及其拓扑绝缘性、超导性等物理特性。本项目的实施可推动“镓烯”这一新型材料的发展，对我国的二维材料、微电子器件等领域有重大意义。

石墨烯的成功制备掀起了类石墨烯新型二维晶体材料的研究热潮。类石墨烯材料具有优异的力学、电学、光学等性能，在微电子器件领域拥有巨大的应用前景。目前，各种单元素类石墨烯二维晶体材料陆续在实验室外延生长成功，如：与碳同族的硅烯、锗烯、锡烯，邻族的硼烯、磷烯等。镓与硼同属于碳的邻族ⅢA 族金属，且镓具有多样的键合方式和强大的键合能力，而镓烯的外延生长研究及其特性却鲜有报道。针对这一科学问题，我们选用了Si(111)-√3×√3-Ga为衬底，采用分子束外延的方法成功制备出了镓烯，利用低温STM并结合第一性原理计算，研究了镓烯的生长机制及其特性。具体研究内容和结果如下：. 1. 在Si(111)-√3×√3-Ga衬底上生长了单层镓膜，并利用低温STM进行了原位检测，结合DFT计算确定了其原子结构。研究结果表明：单层镓膜呈现出一种由多个畴构成的条纹状结构，条纹方向沿着Si(111)晶格方向，表观高度为0.25 nm。当Ga原子沉积到Si(111)-√3×√3-Ga表面，新沉积的Ga原子与原√3×√3-Ga中的Ga原子相互作用，使得原来的Ga原子部分保留原有位置，部分改变原有位置，从而形成了鲜有报道的4×√13-Ga结构。4×√13-Ga单层膜是Si(111)-√3×√3-Ga衬底到镓烯结构的过渡层，它的生长为镓烯的制备奠定了基础。. 2. 在单层Ga膜上生长出镓烯，利用低温STM和DFT计算研究了镓烯的原子结构及其特性。高分辨的STM形貌图显示镓烯为六角蜂窝状的结构，晶格常数为0.38 nm，表观高度为0.4 nm。镓烯层的Ga原子都是在层内成键，而单层镓膜与衬底之间有Ga-Si共价键存在，因而使得镓烯层表观高度远大于第一层镓膜的表观高度。镓烯上采集的I-V曲线和dI/dV谱都呈现出类似于硼烯的大“V”型曲线，表明镓烯具有金属特性。本工作为镓烯的生长开辟了一条新途径。. 3. 研究了Ga原子在半金属Bi(111)表面的生长。在Bi(111)表面低温沉积Ga原子，台阶边缘的Bi原子首先和Ga原子结合形成了镓铋合金，台阶边缘出现了被“啃噬”的形貌。由于不同原子的导电性差异，合金层STM图中原子亮暗各不相同。高分辨的STM形貌图显示镓铋合金完全按照Bi(111)衬底的晶格外延生长。根据晶格常数匹配程度，后续有望在镓铋合金层上生长出超平镓烯。