石墨烯表亲“锡烯”问世

      随着石墨烯研究的巨大成功，类石墨烯结构的二维晶体材料成为物理和材料科学领域关注的焦点。近日，上海交通大学物理与天文系凝聚态物理研究所低维物理和界面工程实验室研究团队与美国斯坦福大学张首晟的理论团队合作首次实现了锡烯实验研究的重大突破。这种材料或能100%导电。研究人员希望下一步能尽快证实其优异的电学属性。

 

近日，上海交通大学物理与天文系凝聚态物理研究所低维物理和界面工程实验室研究团队与美国斯坦福大学张首晟的理论团队合作首次实现了锡烯实验研究的重大突破，成功研制出由单层锡原子构成的厚度小于0.4纳米的二维晶体——锡烯（Stanene）薄膜。理论预测称，这种材料或能100%导电。研究人员希望下一步能尽快证实其优异的电学属性。

      随着石墨烯研究的巨大成功，类石墨烯结构的二维晶体材料成为物理和材料科学领域关注的焦点。其中，基于锡（Sn）的二维类石墨烯晶体锡烯（Stanene）被认为具有极其优越的物理特性。科学家们迄今研制出了多种二维材料，包括硅烯、锗烯等。它们大都拥有优异的导电性，但从理论上来说，锡烯更胜一筹。

2012到2013年间，理论学家们预言，锡烯是一种可以在室温下工作的大能隙二维拓扑绝缘体，可实现室温下无损耗的电子输运，在未来更高集成度的电子学器件应用方面具有重要的意义。同时，通过对锡烯的调控，还能够实现拓扑超导态、优越的热电效应、室温下的反常量子霍尔效应等新奇特性。

2013年，斯坦福大学张守晟教授团队预测，“锡烯（Stanene）是锡的拉丁语名字（Stannum）和石墨烯（Graphene）组合在一起而成的”，可能会成为世界上第一种能在常温下达到100％导电率的超级材料，远胜近年来热议的石墨烯，可实现室温下无能量损耗的电子输运，在未来更高集成度的电子学器件应用方面具有重要的意义。

但制备锡烯面临诸多困难，首先，锡烯的晶体结构基于金刚石结构的灰锡，灰锡不是石墨那样的层状结构，因此无法用机械剥离的方法获得单层锡烯。另外，体材料的灰锡在室温下不能稳定存在。而且虽然稳定的灰锡厚薄膜能在锑化铟基底上生长，但在锑化铟基底上生长单层锡烯却一直无法实现。

锡烯是一种理论上非常理想的新型量子材料。如何在实验上实现锡烯材料已成为当前国际物理学家的重要目标。锡烯的晶体结构是基于金刚石结构的a-锡，和石墨不同，a-锡不是层状结构，无法用机械剥离的方法获得单层的锡烯。

而且，体材料的a-锡在室温下不能稳定存在。虽然稳定的a-锡厚薄膜能够在晶格失配度非常小的半导体InSb基底上生长，但在InSb基底上生长单层锡烯却一直无法实现。过去几年中，制备单层锡烯成为二维晶体材料和拓扑态材料领域的重大挑战之一。

上海交通大学物理与天文系凝聚态物理研究所低维物理和界面工程实验室博士生朱锋锋在钱冬、贾金锋两位教授指导下，经过近两年的反复实验，终于找到了合适的基底材料和生长条件，利用分子束外延生长技术在国际上首次实现了锡烯二维晶体薄膜。

在整个研究过程中，研究团队面临的另外一个关键问题是如何确定外延的薄膜是锡烯薄膜。为了回答这个问题，研究团队克服了两大难题。第一个难题是如何确定单个锡烯薄膜中双原子层的相对高度（buckling）。通常情况下，扫描隧道显微镜只能看到最表面的一层原子，无法看到下面的第二层原子。通过大量的实验，博士生陈维炯终于成功观察到双原子层内部结构，精确测定了双原子层的相对高度。第二个难题是如何确定外延薄膜的电子能带结构。由于薄膜厚度不到0.4纳米，用来确定电子能带结构的角分辨光电子能谱信号中包含了众多的基底信号，造成了极大的混淆。

      为了解决这个问题，研究团队将锡烯的生长设备搬到同步辐射光源，利用同步辐射光源光子能量和光子偏置可变的特性，实现了锡烯的电子能带结构和基底信号的完全分离，还进一步利用原位表面电子掺杂的方法，确定了空态的部分能带结构。研究团队发现，实验精确确定的原子结构及电子能带结构和第一性原理计算的结果具有非常好的一致性，从而确信无疑地证实了外延生长的薄膜就是二维锡烯。

锡烯薄膜的实验实现，为开展其物性研究打来了大门，将对二维拓扑电子学材料的发展起到重要的推动作用。低维物理和界面工程实验室的研究团队将进一步深入开展锡烯薄膜晶体结构和电子结构的调控、量子输运特性测量等一系列后续研究。低维物理和界面工程实验室隶属于教育部人工结构和量子调控重点实验室，是国家先进微结构创新中心的成员。此项研究得到了科技部、中组部、国家自然科学基金委、上海市科委、上海市教委等机构的大力支持。

 

 

什么的“二维材料”？

二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。二维材料是伴随着2004年曼切斯特大学（University of Manchester）Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯（graphene）而提出的。

石墨烯突出的特点是单元子层厚，高载流子迁移率、线性能谱、强度高。无论是在理论研究还是应用领域，石墨烯都引起了极大的兴趣，Geim本人称之为“God Rush（淘金热）”。后续又有一些其他的二维材料陆续被分离出来，如氮化硼（BN）、二硫化钼（MoS2）。最近在凝聚态物理领域有着广泛的研究。

 

 

锡烯是石墨烯最新诞生的“小弟弟”

在此之前，包括由硅原子组成的硅烯、由磷原子组成的磷烯，以及由锗原子组成的锗烯，甚至还有由不同的单层原子材料堆叠成的功能材料，这些都是石墨烯的“同门兄弟”。他们有一个共同的名字——二维材料。

石墨烯（Graphne）是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·撒姆（Andre Geim）和康斯坦丁·玛卡李奇（Konstantin makolinqing），成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。并且，石墨烯在自然界也有产出，它体现为高能物理状态下的圈量子的粒子态相。

石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过1500cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

 

石墨烯+燕麦灵可使电效率达到100%

石墨烯和燕麦灵（一种除草剂）相结合的产物stanene，能够在100摄氏度（华氏212度）的条件下达到100%的电效率。它有望最终取代目前电脑芯片中劣质的高电阻铜线。石墨烯是碳原子构成的单层片状结构，而stanene则是锡原子构成的单层片状结构。

诸如因特尔Haswell或苹果A7SoC等现代计算机芯片拥有超过10亿个晶体管。试想一下，一片如拇指盖大小的硅材料上面拥有超过10亿个微小的交换机。如果这些晶体管还必须通过微小的铜线彼此相连并构成真实存在的逻辑装置呢？

拇指盖大小的现代芯片中的铜线长度能够超过60英里（100公里）。而今，铜在导电性方面算是比较优秀，但如果连接线只能是几个原子宽就变得极为复杂了。铜线不仅十分脆弱易断，在它们变得愈发薄的过程中，就由经典物理学转移到了量子物理学，使整个过程尤为棘手。

Stanene的名字源于拉丁语的锡stannum，它是一种由单层锡原子制成的推理材料。斯坦福大学研究人员解释，与石墨烯强大无比的导电性有所不同的是，stanene算得上是拓扑绝缘体。拓扑绝缘体，因其电子排列方式不同，内部是绝缘体，但边缘以及/或者表面却是能够导电的。

研究人员表示，如果拓扑绝缘体厚度仅为一个原子（如stanene），边缘的导电效率为100%。Stanene（理论材料，并未实际制成）应该在室温条件下达到边缘导电效率100%。但是研究人员到底如何达到100%的高导电性，却尚不明确，当然在技术层面上来讲，这是极有可能的。

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