北理工姚裕贵教授的硅烯研究取得阶段性进展
发布日期：2013-05-29
阅读次数：供稿：物理学院 周格羽 编辑：党委宣传部 赵琳
硅烯(silicene)是单层硅原子构成的有起伏的二维六角蜂窝结构，硅烯的晶体结构和能带图。(a),(b)分别为侧视图和俯视图。(c)定义了一个起伏角度。(d) 能带图。放大的部分为由于自旋轨道耦合作用在狄拉克点打开的能隙结构。一方面，硅烯由于具有与石墨烯类似的六角蜂窝结构，使得石墨烯中大多数新奇的物理性质，比如低能相对论的线性色散关系，都可以在硅烯中实现；另一方面由于硅烯具有起伏的结构，使得硅烯拥有石墨烯所不具有的一些优异性质。
近年来，姚裕贵教授研究组对硅烯体系进行了深入的研究，取得了一系列突出成果。量子自旋霍尔效应概念最早由Pennsylvania 大学的Kane和Mele提出，并认为在单层石墨烯样品可实现。但姚裕贵教授等随后的工作表明由于自旋轨道耦合在石墨烯中打开的能隙仅μeV量级，由此可以断定在本征石墨烯中只有在极低温（0.01mK）下才有可能观测到量子化的自旋霍尔效应。【Phys. Rev. B 75, 041401(R) (2007)，引用199次】。目前，实验上量子自旋霍尔效应仅在HgTe-CdTe量子阱体系中观测到，而该材料制备非常困难，这使实验研究受到很大的限制。想解决这一困境唯有另辟蹊径，2011年，姚裕贵教授研究组预言了在硅烯中18K温度下可以实现量子自旋霍尔效应。 此外，该小组还预言了二维锗与锡原子体系中也可实现量子自旋霍尔效应，并有可能在室温下观测到量子自旋霍尔效应【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用59次；Phys. Rev. B 84, 195430 (2011)，引用24次】。硅烯可以非常好地与当今的硅基半导体工艺兼容，这是其他量子自旋霍尔体系所不具有的，可以预期硅烯有广泛的应用前景。
上述理论预言的提出立即引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室包括法国、日本和中国等国家的实验小组都在努力合成硅烯材料，争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路在硅烯中寻找量子自旋霍尔效应。最近，华体会hth·(体育)(中国)官方网站-华体会体育hth首页物理学院姚裕贵教授以及博士生刘铖铖在前面研究工作基础上，与中科院物理所吴克辉研究员实验小组以及孟胜研究员小组合作，对硅烯的晶体结构及电子性质展开了研究，并获得了一系列进展。通过在Ag表面上外延硅烯，发现了硅烯在Ag（111）面上形成新奇的√3x√3超结构相，同时结合第一原理计算，给出这种超结构的可能原子结构如图2所示。该工作还证实了硅烯中的Dirac费米子的存在，为进一步研究硅烯中的新奇量子效应提供了坚实的基础，成果发表在Phys. Rev. Lett. 109, 056804 (2012)。此外进一步理论计算结合实验表明，在合适的温度和覆盖度下，能够形成单原子层、甚至多原子层的硅烯薄膜。该工作对于如何制备硅烯薄膜给出了详细的指导信息，成果发表在 Nano Lett. 12, 3507 (2012)。最近，姚裕贵研究组和合作者还研究了双层硅烯的性质，预测了该体系将会出现d+id'手性拓扑超导性；通过对该体系施加应变，进一步预测在该体系中可能实现高温超导性【arXiv:1208.5596】。如果能被实验验证，那么这一发现很有可能将会使现代硅工业进入一个新纪元！需要指出的是，最近有实验迹象表明，硅烯可能是超导体【arXiv:1301.1431】。 以上工作得到了国家自然科学基金委、科技部的资助。
近年来，姚裕贵教授研究组对硅烯体系进行了深入的研究，取得了一系列突出成果。量子自旋霍尔效应概念最早由Pennsylvania 大学的Kane和Mele提出，并认为在单层石墨烯样品可实现。但姚裕贵教授等随后的工作表明由于自旋轨道耦合在石墨烯中打开的能隙仅μeV量级，由此可以断定在本征石墨烯中只有在极低温（0.01mK）下才有可能观测到量子化的自旋霍尔效应。【Phys. Rev. B 75, 041401(R) (2007)，引用199次】。目前，实验上量子自旋霍尔效应仅在HgTe-CdTe量子阱体系中观测到，而该材料制备非常困难，这使实验研究受到很大的限制。想解决这一困境唯有另辟蹊径，2011年，姚裕贵教授研究组预言了在硅烯中18K温度下可以实现量子自旋霍尔效应。 此外，该小组还预言了二维锗与锡原子体系中也可实现量子自旋霍尔效应，并有可能在室温下观测到量子自旋霍尔效应【Phys. Rev. Lett. 107, 076802 (2011)，引用59次；Phys. Rev. B 84, 195430 (2011)，引用24次】。硅烯可以非常好地与当今的硅基半导体工艺兼容，这是其他量子自旋霍尔体系所不具有的，可以预期硅烯有广泛的应用前景。
上述理论预言的提出立即引起了国际上的广泛兴趣，许多世界顶级实验室包括法国、日本和中国等国家的实验小组都在努力合成硅烯材料，争相投入到这场竞争中来，沿着这个思路在硅烯中寻找量子自旋霍尔效应。最近，华体会hth·(体育)(中国)官方网站-华体会体育hth首页物理学院姚裕贵教授以及博士生刘铖铖在前面研究工作基础上，与中科院物理所吴克辉研究员实验小组以及孟胜研究员小组合作，对硅烯的晶体结构及电子性质展开了研究，并获得了一系列进展。通过在Ag表面上外延硅烯，发现了硅烯在Ag（111）面上形成新奇的√3x√3超结构相，同时结合第一原理计算，给出这种超结构的可能原子结构如图2所示。该工作还证实了硅烯中的Dirac费米子的存在，为进一步研究硅烯中的新奇量子效应提供了坚实的基础，成果发表在Phys. Rev. Lett. 109, 056804 (2012)。此外进一步理论计算结合实验表明，在合适的温度和覆盖度下，能够形成单原子层、甚至多原子层的硅烯薄膜。该工作对于如何制备硅烯薄膜给出了详细的指导信息，成果发表在 Nano Lett. 12, 3507 (2012)。最近，姚裕贵研究组和合作者还研究了双层硅烯的性质，预测了该体系将会出现d+id'手性拓扑超导性；通过对该体系施加应变，进一步预测在该体系中可能实现高温超导性【arXiv:1208.5596】。如果能被实验验证，那么这一发现很有可能将会使现代硅工业进入一个新纪元！需要指出的是，最近有实验迹象表明，硅烯可能是超导体【arXiv:1301.1431】。 以上工作得到了国家自然科学基金委、科技部的资助。
图2 A、B， 1x1（AB）的硅烯和√3x√3超结构（AB-A）的俯视图和侧视图。注意在√3x√3超结构的（2/3,2/3）的硅向下起伏。红色、黄色和绿色分别代表A位、B位和-A位。C， 1x1（AB）的硅烯和√3x√3超结构（AB-A）的结构相图。 D，大范围的√3x√3超结构。
参考文献：
1. Cheng-Cheng Liu, WanXiang Feng and Yugui Yao, Phys.Rev. Lett. 107, 076802 (2011).
2. Cheng-Cheng Liu, Hua Jiang and Yugui Yao, Phys. Rev. B 84, 10195430 (2011).
3. L. Chen, Cheng-Cheng Liu, B. Feng, X. He, P. Cheng, Z. Ding, S. Meng, Yugui Yao*, K. Wu*, Phys. Rev. Lett., 109, 056804 (2012)
4. B. Feng, Z. Ding, S. Meng, Yugui Yao, X. He, P. Cheng, L. Chen, and K. Wu, Nano Lett. 12, 3507 (2012).
5. Feng Liu, Cheng-Cheng Liu, Kehui Wu, Fan Yang, Yugui Yao，arXiv:1208.5596 (2012).
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