物理所首次發現由過渡金屬元素構造的二維原子晶體材料

　　石墨烯的非凡性質根源於其蜂窩狀晶格中的粒子隧穿。近年來，石墨烯的成功使得人們關注其他新型二維蜂窩狀材料的研究，以進一步探索蜂窩狀結構非同尋常的電子學性質。中科院物理研究所納米物理與器件實驗室高鴻鈞研究組在Ir(111)襯底上成功製備出矽烯，並深入研究了它的幾何、電學性質以及和基底的相互作用 【Nano Letters 13, 685 (2013)】。這一工作提供了一種新的製備高質量矽烯的方法，被Nature 【495, 152(2013)】在其News中報導，指出是目前國際上報導的製備矽烯的三種方法之一。從現有報導的單層二維蜂窩狀材料來看，它們只是由元素周期表中的p區元素構成的（例如碳元素構成的石墨烯，矽元素構成的矽烯）。含有d電子的過渡金屬元素要遠多於p區元素。

    過渡元素具有豐富的多體物理和配位化學性質，而且很多含有自旋極化的磁性特性，其二維蜂窩狀結構的實現對於研究過渡元素電子、自旋和催化性質具有重要意義。過渡金屬元素中的鉿也是當今半導體科學和技術中最重要的元素之一，製備出鉿的類石墨烯結構對未來電子學也極其重要。然而，由d電子過渡金屬元素單質構成的二維蜂窩狀結構至今未見報導。

　　最近，中科院物理研究所高鴻鈞研究組的博士生李林飛和王業亮研究員等首次發現製備鉿烯二維蜂窩狀原子晶體的方法。他們通過分子束外延生長的方法獲得了d電子過渡金屬元素的單層平面二維蜂窩狀結構。實驗觀測結果表明，在銥(111)基底表面，鉿原子形成了自己的二維蜂窩狀晶格，並且近鄰鉿原子的間距與體狀鉿內部的原子間距極其接近。這些結果突破了二維蜂窩狀結構由p區元素（例如碳，矽）構成的現狀。他們與美國倫斯勒理工學院的張繩百教授和吉林大學李賢斌教授等合作，對實驗結果進行了理論計算與模擬。結果揭示了最近鄰鉿原子之間是共價鍵結合。這類由元素周期表中d區元素構成的二維晶體材料，其幾何和鍵結構與石墨烯類似，被稱之為d電子烯或者金屬烯-鉿烯。該工作向實現非碳元素的類石墨烯二維蜂窩狀結構邁出了重要的一步。這種d電子金屬元素構成的二維蜂窩狀結構比石墨烯具有更強的自旋軌道耦合，為研究二維體系中新的量子現象和電子行為提供了全新的平臺。相關結果發表在Nano Letters 13, 4671 (2013)上。文章發表後不久被Nature China和Nature Nanotechnology引用，作為研究亮點(Research Highlights)進行了報導。

　　該項研究工作得到了國家自然科學基金、「973」項目和中科院的支持。

　　Nature Nanotechnology報導　　 

　　Nature China報導

    圖1.  Ir(111)表面鉿烯形成前後的LEED圖像：（a）乾淨基底，白色箭頭標示的六個衍射點來源於Ir(111)表面的六重對稱性；（b）樣品沉積鉿並經過退火處理，虛線箭頭標示出了新產生的衍射點，表明鉿層在Ir(111)表面形成了相對於基底格子的(2x2)超結構。（c）Ir(111)表面(2×2)超結構的理想LEED圖像，實驗圖像b圖與其完全一致，每組衍射點由白色和淡綠色圓斑分別標示。

    圖2. （a）Ir(111)表面生長的鉿烯晶格的高分辨STM圖像（U = -1.0 V, I = 0.8 nA），基底Ir[1-1 0]和Ir[11 -2]方向由白色箭頭標示。（b）鉿層的原子分辨STM圖像（U = -0.7 V, I = 0.16 nA），鉿層的蜂窩狀原子晶格由綠色六角形標示。（c）是（b）圖中沿藍色直線所示的剖面線，顯示鉿層六角晶格的周期為5.4 Å（為基底Ir (111)表面晶格常數的2倍，和圖1中LEED測量結果完全一致）。

    圖3.（a）原子分辨的STM圖像(-1.5 V, 0.1 nA)，蜂窩狀結構用六角形表示。（b）理論模擬的STM圖像(-1.5 V)，顯示的特徵和實驗結果一致。（c）第一性原理理論計算獲得的Ir(111)基底上鉿層的蜂窩狀結構的原子弛豫模型，銥(2×2)超格子剛好對應於鉿層蜂窩結構的(1×1)格子, 如平行四邊形所示。（d）為c圖弛豫原子模型的側視圖，顯示了Ir(111)表面上的平面Hf層結構。

    圖4. Ir(111)表面鉿層的二維電子態密度圖。鉿-鉿鍵清晰可見，維持了鉿的平面蜂窩狀結構。