Science Advances：固体熔融剥落产生的原子级薄镓层

【引言】

从石墨中分离石墨烯促进了分层二维材料作为二维纳米电子构建模块的研究，许多层状材料的六方晶体结构，各层通过弱范德华力保持在一起有助于易于提取或生长稳定的单层。然而，与石墨烯不同的是这些材料中强烈的自旋轨道相互作用和屈曲结构使它们具有拓扑绝缘体相，这可以产生无耗电传导并支持量子自旋霍尔态。简而言之，二维材料研究始于石墨烯的分离，但它已经为开发可超越石墨烯的研究和工业应用提供了新型纳米平台。

【成果简介】

近日，来自赖斯大学的Vidya Kochat（通讯作者）和Atanu Samanta（共同通讯作者）在Science Advances发表了题为Atomically thin gallium layers from solid-melt exfoliation的论文，报道了在硅衬底上原子级的“g烯”薄片的稳定性并实现成功剥离，其在原始α-镓的双晶结晶方向上具有两种不同的原子排列。由于镓的固相和熔融相之间的界面较弱，开发了固熔界面剥离技术来分离这些层。“g烯”的电子能带结构显示了部分填充的狄拉克锥和费米能级附近的非线性色散带的组合，表明“g烯”应该表现为金属层。此外，“g烯”与其他2D半导体的强烈相互作用诱导后者中的半导体至金属相转变，为在二维器件中使用“g烯”作为金属接触铺平了道路。

【图文导读】

图1：“g烯”多晶型物的晶体结构

A:α-Ga的晶体结构； 

B:如绿色平面所示，从块体α-镓沿（010）方向劈开后得到的单层加勒烯结构；

C:如红色平面所示，从块状α-镓沿（100）方向劈开后得到的单层“g烯”结构，松弛后形成蜂窝结构，单层结构的单位单元用虚线矩形红色框表示，a和b是结构的单元参数，键长和键角分别用δ和α表示。

图2：DFT计算稳定性和“g烯”多晶型物的能带结构 

A-B:分别为a₁₀₀和b₀₁₀的6％和2％均匀应变单层的声子色散；

C:沿（i）y方向和（ii）x方向的b₀₁₀的2%应变结构的ELF和a₁₀₀（iii）单层的6%应变结构；

D:每个原子相对于最低能量结构的总能量作为均匀应变的函数，插图显示△E表示较小的应变范围；

E-F:将费米能设置为0eV的稳定（应变）的a₁₀₀和b₀₁₀单层的轨道投影带结构，状态的总密度（DOS）和局部态密度。

图3：“g烯”的固体剥落

A:扫描电子显微镜内部的平面冲压压头实时成像加勒烯脱落的快照以及相应的压裂原子图；

B:通过原位压缩和拉伸试验对SEM内熔融镓获得的载荷-位移曲线，插图揭示了在压头拉伸和压缩载荷过程中的SEM图；

C:固体熔融剥离技术的示意图；

D:在SiO₂晶片上的镓片的光学图；

E:冲压技术示意图；

F:各种衬底上的角撑片脱落的AFM图。

图4：“g烯”薄膜的表征

A:顶部：SiO₂衬底上的SEM图，底部：转移的膜与SAED的TEM图；

B:XPS数据显示在结合能为1117.0eV和1143.0eV的两个强峰，其分别对应于金属镓的2p_3/2和2p_1/2态；

C:（i）I-V特性，（ii）在较高电流下击穿“g烯”装置的I-V曲线，插图显示击穿后Ga膜的AFM图；

D-E:明亮场TEM图像（i）以及SAED图案（ii）和HRTEM图像（iii）分别对于“g烯” b₀₁₀和a₁₀₀片。

图5：底物对加勒烯的影响

B: “g烯”与衬底（Si，Ag，SiO₂和GaAs）的相对相互作用；

C:顶部：大块镓和超薄“g烯”片材的吸收光谱。底部：在两种不同衬底上的吸收光谱；

D:原始MoS₂和MoS₂下面的拉曼和PL光谱，（iv）显示镓下面的MoS₂区域的XPS谱。

【小结】

该团队采用理论和实验相结合的方法证明了沿着（010）和（100）方向的具有不同原子排列的稳定性。观察到的“g烯”结构与理论预测的结构之间的一一对应关系并揭示了稳定的二维“g烯”片的形成。他们使用固体熔融剥离技术萃取“g烯”片的新技术进一步扩展到剥落低熔点纯金属和合金的其他金属。而且能够使用“g烯”接触将MoS₂从半导体转变为金属相，从而为器件提供更好的2D接触。他们的研究结果表明，“g烯”还可以在等离子体激元，传感器和电触点的二维金属中得到广泛的应用。

文献链接：Atomically thin gallium layers from solid-melt exfoliation（Science Advances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.1701373）

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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