Nature子刊：最新展望 二维X-烯材料

【引言】

二维X-烯（Xene），包括硅烯（silicene）、锗烯（germanene）、锡烯（stanene）等，是一类新型的二维电子材料。与石墨烯（graphene）相比，它们也是蜂窝状排列的二维晶体，但具有非平面的原子结构和更大的元素质量，因而具有强很多的自旋-轨道耦合，能表现出超越石墨烯的独特物理性质，是研究低维量子物理和新奇拓扑效应的理想材料体系。

【成果简介】

德州大学奥斯汀分校Deji Akinwande（通讯作者）和IMM-CNR的Alessandro Molle（通讯作者）等人在Nature Materials上发表题为“Buckled two-dimensional Xene sheets”的“展望”（Perspective）文章，综述了二维X-烯相关的最新的重要理论与实验进展，重点介绍了以锡烯为代表的拓扑量子材料及其在新奇物态和新型器件等方面的探索工作，并对未来研究作展望。

【图文导读】

图1 2D-X烯材料的发展历史

关于2D X-烯的关键实验发展概述。图中时间线上的蓝色文字和红色文字分别表示2D-X烯材料的合成和器件集成方面的重大进展；

A、自由独立的2D X-烯材料晶格的原子配置；

B、硅烯在Ag(111)衬底上的外延生长，其STM研究表明在Ag(111)衬底外延的硅烯具有多相特征；

C、X-烯薄片的首次化学剥离：锗烯的拓扑剥离；

D、金属铝衬底上的锗烯，STM成像和从头计算法模拟结果；

E、硅烯晶体管的制备：通过分子束外延技术在可分离Ag-云母衬底上生长硅烯，并在其上表面沉积氧化铝保护层，然后，分离Ag-云母界面，获得氧化铝-硅烯-Ag三明治薄片，并将其转移到氧化硅衬底上，通过电子束图形化工艺制备出硅烯场效应晶体管；

F、锡烯在Bi2Te3衬底上的外延生长STM表征。

表1 2D X-烯的性质

自由独立2D X-烯的计算结构参数，是通过基于密度泛函理论的第一性原理计算预测的（左边）；在衬底上的外延X烯结构参数，是通过实验和理论计算获得（右边）； 四列参数符号分别是晶格常数、原子间距、褶皱参数和SOC产生的能带间隙。

图2 纳米电子学中的拓扑转换

A、2D X-烯晶格的俯视示意图：边缘处的绿色箭头表明了量子自旋霍尔态展现出的螺线电流方向；

B、2D X-烯的分子轨道和原子结构的侧视图，及有自旋轨道耦合（红色实线）和无自旋轨道耦合（黑色虚线）的最低能带示意图；

C、通过锡烯的共价功能化诱导晶格常数导致能带间隙变化；       D，拓扑相图。

图3 基于对称性破缺的拓扑比特和新物理现象

A、不同锡烯纳米带沿着1D布里渊区的能带结构示意图，及其发生拓扑相变的能带结构示意图；

B、电场、压力和拉力驱动的TI-FET形状变化示意图；

C、对称性破缺诱导的量子自旋霍尔态和新物理的应用，包括A-B次晶格对称，反演对称P，时间逆对称T和测量对称U。

【小结】

由于其具有众多优点，2D X-烯有望为研究具有多重物理现象材料的基础特性和应用提供十分恰当的纳米技术平台。本征和功能化的X-烯具有多种多样的材料性质，在为电子学，自旋电子学，光学，热血，能源，机械，化学和传感器纳米系统中，设计有效的，迫切需求的或者可重构的器件提供了很大的自由度。然而，目前，关于X-烯的研究还有很多工艺和技术问题未被解决，其中，空气中的不稳定性是最需要解决的问题。尽管如此，最近报道的技术和合成方法对探索2D-X烯的独特拓扑现象及其新型器件的设计有很大的推动促进作用。

文献链接：Buckled two-dimensional Xene sheets（Nature Materials, 2017, DOI:10.1038/nmat4802）

本文由材料人电子电工学术组灵寸供稿，材料牛整理编辑。

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