近日,中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所曹更玉研究組與中國科學院物理研究所高鴻鈞院士研究組合作,在新型類石墨烯二維晶體材料——鍺烯的制備研究方面取得新進展。
近年來石墨烯研究在世界范圍內(nèi)掀起熱潮。到目前為止,研究人員已相繼制備出碳元素構(gòu)成的石墨烯和硅元素構(gòu)成的硅烯,并探索其蜂窩狀結(jié)構(gòu)非同尋常的電子學性質(zhì)。隨著對石墨烯研究的不斷深入,研究人員把目光轉(zhuǎn)向了與碳和硅同族的鍺元素。理論研究證明自由狀態(tài)的單層起伏的鍺蜂窩狀結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在,這種起伏的鍺蜂窩結(jié)構(gòu)具有量子自旋霍爾效應的性質(zhì),通過摻雜,其高溫超導性質(zhì)也被預測出來。二維蜂窩狀鍺材料具有如此重要的電子學特性,然而,制備由鍺元素單質(zhì)構(gòu)成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)至今未見報道。
武漢物數(shù)所秦志輝副研究員帶領(lǐng)博士研究生盧雙贊與中科院物理所高鴻鈞院士研究組合作,在金屬基底Pt(111)上通過精細優(yōu)化外延生長條件成功制備出鍺的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu),首次實驗上驗證了“單層起伏的鍺蜂窩狀結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在”的理論預言。通過低能電子衍射和掃描隧道顯微學的原位精細表征發(fā)現(xiàn),鍺的二維蜂窩結(jié)構(gòu)相對Pt(111)基底形成一個(Ö19´Ö19)R23°周期性的超結(jié)構(gòu),這一超結(jié)構(gòu)恰好對應于鍺烯晶格的(3´3)結(jié)構(gòu)。研究人員結(jié)合第一性原理計算,進一步驗證了這種超結(jié)構(gòu)模型,并通過電子局域函數(shù)的計算揭示了鍺烯的連續(xù)性,證明鍺烯中的Ge原子以共價鍵結(jié)合而形成鍺的二維蜂窩狀晶格材料。鍺烯具有比石墨烯和硅烯更強的自旋軌道耦合能隙,制備鍺的類石墨烯結(jié)構(gòu)對未來電子學極其重要,相關(guān)電子學表征正在進行中。