新型室温二维拓扑绝缘体锡烯的材料研究

Stanene is a new two-dimensional topological insulator (TI) formed by tin atoms, with a single-atomic-layer honeycomb lattice structure, similar to that of graphene, and a Dirac-like cone type of low-energy band structure. It was predicted in September 2013 in Physical Review Letters and has drawn broad attention. In contrast to other topological insulator materials and graphene, stanene has the largest non-trivial bandgap which enables stanene holding the zero effective electron mass and other superior properties of TI above room temperature, leading to the revolutionary impacts on future low dissipation and high speed integrated circuits. The primary goal of this project is to experimentally realize this new material, stanene, with the two approaches: first, achieve the Van de Waals epitaxy for stanene by solving the substrate surface passivation problem, controlling the bonding and nucleation processes of the tin adtoms. Second, by controlling the phase and growth mode of tin thin films in molecular beam epitaxy (MBE), realize single atomic layer epitaxial tin film on the substrates and then achieve stanene with the help of breaking the sp3 bonds into sp2 bonds. Afterwards, the crystal structure, the band structure and the transport properties of the stanene will be characterized. The implementation of this project will solve the key scientific problems of the growth, characterization and future applications for stanene and accumulate key know-how technologies, resulting in the leading position for our country in this pioneering research field.

锡烯是由锡原子形成的具有和石墨烯相似的单原子层蜂窝状晶体结构和狄拉克圆锥型能带结构的新型二维拓扑绝缘体材料。其于去年9月在物理评论快报上被理论预言，得到广泛关注。相比于其他拓扑绝缘体材料和石墨烯，他具有最宽的非平凡带隙，使其在高于室温下仍能保持由狄拉克色散关系带来的零电子有效质量等优越特性，从而可对未来低损耗、高速集成电路的发展带来革命性影响。本项目将以实验实现锡烯这种新型材料为首要目标，主要采用两种新颖技术方案：首先通过解决衬底表面钝化和控制锡原子成键、成核、生长模式等问题实现锡烯的范德华外延生长；其次通过解决锡薄膜分子束外延生长时的相位和生长模式控制问题，获得单原子层厚度的锡薄膜，然后采用sp3键人工断裂形成sp2键的方法实现锡烯；进而对锡烯的晶体结构、能带结构、输运性质进行表征。本项目将为锡烯的合成、表征和未来应用解决关键科学问题，提供核心技术积累，使我国在这一前瞻性领域取得先机。

锡烯是由锡原子形成的具有和石墨烯相似的单原子层蜂窝状晶体结构和狄拉克圆锥型能带结构的新型二维拓扑绝缘体材料。其于2013年9月在物理评论快报上被理论预言，得到广泛关注。相比于其他拓扑绝缘体材料和石墨烯，他具有最宽的非平凡带隙，使其在高于室温下仍能保持由狄拉克色散关系带来的零电子有效质量等优越特性，从而可对未来低损耗、高速集成电路的发展带来革命性影响。本项目以实验探索合成锡烯及相关新型材料为主要目标，以分子束外延为主要技术手段，尝试了两种新颖技术方案：首先通过解决衬底表面钝化和控制锡原子成键、成核、生长模式等问题实现锡烯的范德华外延生长；其次通过解决锡薄膜分子束外延生长时的相位和生长模式控制问题，获得α-锡材料，然后采用sp3键人工断裂形成sp2键的方法实现锡烯。先后实验了石墨烯、InSb、Bi2Te3等各种不同类型的衬底材料，获得了石墨烯上Sn纳米晶体，InSb上α-锡晶体，GeSn薄膜材料等成果。实验之外，同时开展了针对锡烯材料的理论研究，对其力学性质、异质结构中的电子结构等进行了第一性原理计算。在本项目的支持下，共发表标注本项目的SCI文章14篇，其中第一标注9篇，第二标注1篇。申请国家发明专利四项。协助培养了博士研究生两名。