Nano Lett.：单层硅材料在钌衬底上生长结构变化顺序揭秘-从人字形结构到硅烯结构

【引言】

二维材料由于可以用来制备超薄、高质量、高载流子率的半导体层，成为当今研究的热点。硅烯是一种新颖的二维材料，近年来引起了理论和实验物理研究上的广泛关注，已成为新材料领域的研究热点之一。硅烯具有类似石墨烯的六角蜂窝结构，其低能激发也是无质量的狄拉克费米子，在石墨烯中发现的新奇量子效应，大多数都可以在硅烯中找到相对应的版本。与石墨烯相比，硅烯更容易与当代成熟的硅基半导体工艺兼容，因而在未来的自旋电子学和纳米电子学器件领域可能具有广泛的潜在应用前景。现在硅烯材料生长的衬底只有少数几种被报道，而且生长衬底与制备样品之间粘结力较大，这不仅会让制备高质量的硅烯材料变得困难，而且也会阻碍硅烯材料生长机理的探究，因而找到好的硅烯生长衬底材料是厄待解决的问题。

【成果简介】

近日，来自中科院物理所高鸿钧院士（通讯作者）、杜世萱研究员（通讯作者）和美国田纳西州大学Sokrates T. Pantelides教授（通讯作者）等人成功在钌衬底上制备出高质量的硅烯材料，揭示了其生长过程中硅二维材料结构的变化，并发现了一些独特的硅二维材料结构。

他们用分子外延技术在Ru (0001) 衬底上制备硅二维材料，由于该衬底与制备样品之间的粘结作用较小，所以他们制备的硅烯材料质量较高，而且有利于他们探索硅烯材料的生长机理。他们发现，当覆盖率较低时，硅原子占据衬底三重空位的位置，从而形成一种人字形结构；当硅原子的覆盖率增大，新的硅原子会吸附在人字形的弯头处，形成第一个六边形，这就是硅烯的成核生长；当更多硅原子到来时，在人字形弯头处的初始六边形会发展为小的峰窝状补丁，之后这些补丁会变长变窄，从而形成一种人字形结构和硅烯结构交错的纳米带。之后随着硅原子的覆盖率继续增大，硅烯纳米带结构会发展为硅烯片状结构，人字形结构消失。

作者找到一种十分合适的硅烯生长衬底材料，揭示了硅烯材料的生长过程，其中发现一些独特的硅二维材料结构，推动了硅烯材料的研究。

【图文导读】

图1  实验过程和Ru（0001）衬底上硅人字形结构

（a）实验过程中Ru（0001）衬底上硅单层结构建立（其中橘黄色小球代表硅原子，银白色小球代表钌原子）。

（b）硅人字形二维材料的大面积扫描隧道显微图 (-0.10 V, 1.52 nA)。

（c）原子级分辨率的扫描隧道显微图 (-0.13 V, 2.94 nA)。其中单胞已经被白色长方形框出，两个相临人字形弯头垂直距离用L₁表示，单个人字形链周期距离用L₂表示。

（d）硅人字形结构的原子模型。单胞被红色长方形标出。

（e）硅人字形结构扫描透射显微镜的仿真模拟图。

图2  Ru（0001）衬底上硅人字形结构电子密度

（a）Ru（0001）衬底上硅人字形材料的几何结构和电子密度。黑色虚线长方形标识出的是硅原子之间的本征电子密度，显示的是硅原子之间的相互作用。而钌原子的电子密度被隐藏。

（b）电子密度分布侧视图。黑色虚线圆圈显示的是硅原子和钌原子之间的本征电子密度。

图3  人字形-蜂窝形超晶格点阵

（a）人字形-蜂窝形二维超晶格点阵的大面积扫描隧道显微图(-0.86 V, 0.22 nA)。图表顶端的黑色箭头是用来区分超晶格点阵中的蜂窝条纹。

（b）人字形-蜂窝形二维超晶格点阵的仿真模拟图。

（c）拉近视野的扫描隧道显微图，其中蜂窝条纹被棕红色标记，人字形纹带被灰褐色 标记。

（d）高分辨扫描隧道显微图，显示被扭曲的六边形结构的细节(-3.8V, 0.38 nA) 。

图4  类硅烯蜂窝结构生长的成核位置的原理图

（a）在弯头处有额外硅原子（蓝色小球）的人字形结构。橘黄色小球显示的是人字型纹带中的硅原子。位置1和位置2是密排六方的两个空隙位置，如果这两个位置被硅原子占据，就会形成六角形（被红线所标记）。

（b）有多余硅原子（蓝色）的初始人字形结构的分子动力学仿真模拟图。

（c）分子动力学模拟快照显示扭曲的蜂巢状六边形建立（扭曲的硅烯）。

图5 Ru（0001）衬底上硅烯层的扫描隧道显微图、低能电子衍射图和原子模型图

（a）扫描隧道显微图，显示的是Ru（0001）衬底上硅烯的超晶格结构 (√7×√7) 。(-1.32 V, 0.11 nA)。

（b）Ru（0001）衬底上单层硅的低能电子显微图。白色圆圈所标记的斑点是来自Ru（0001）衬底而其他斑点是来自硅烯。

（c）超晶格结构(√7×√7)两个等价的区域的扫描隧道显微图 (-0.85 V, 0.11 nA) 。两个区域分别被标记为紫色和红色。绿色虚线显示的是区域的边界。绿色的箭头指向的是两个区域高对称方向。

（d）优化原子模型的顶视图。

（e）扫描隧道显微镜的仿真模拟图。三个明显的区域被圆圈标记，而且在文章中被讨论。

（f）高分辨扫描隧道显微图(-0.85 V, 0.11 nA)。

【小结】

他们的工作找到一种硅烯生长合适的衬底（Ru（0001）），让制备高质量的硅烯材料变得可能。他们也对硅烯生长的机理进行了探究，运用扫描隧道显微镜等多种手段揭示了硅烯生长结构变化，其中发现了一些独特的硅二维材料结构。总的来说，他们的工作大大推动了硅烯的研究。

文献链接：Sequence of Silicon Monolayer Structures Grown on a Ru Surface: from a Herringbone Structure to Silicene（Nano Letters，2017，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b04804）

本文由材料人电子电工学术组一棵松供稿，材料牛整理编辑。

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