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錫烯的結(jié)構(gòu)及基本性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)隔離的單層二維石墨烯在過去的十年當(dāng)中給二維材料開辟了研究的新方向。在這些材料當(dāng)中逐漸地被延伸到硅烯，鍺烯，錫烯，氧化鋅和過渡金屬的硫族化物。在這些重要的同一主族的二維材料當(dāng)中，錫烯是最重要的材料之一。它們大都擁有優(yōu)異的導(dǎo)電性，但從理論上來說，錫烯更勝一籌。

2013年，斯坦福大學(xué)張守晟教授團(tuán)隊(duì)預(yù)測烯錫可能會(huì)成為世界上第一種能在常溫下達(dá)到100%導(dǎo)電率的超級材料，遠(yuǎn)勝近年來熱議的石墨烯，可實(shí)現(xiàn)室溫下無能量損耗的電子輸運(yùn)，在未來更高集成度的電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有重要的意義。

較于石墨烯和硅烯，錫烯的鍵長更長，較弱的π—π鍵構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定，這樣就使得錫烯成為一種全新的獨(dú)立的不穩(wěn)定平面結(jié)構(gòu)。錫烯是一種既簡單綜合特性又好的二維材料，其電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)的探究對于科研工作者而言尤為重要。

錫烯在理論上是一種非常理想的新型量子材料，它的晶體結(jié)構(gòu)是基于金剛石結(jié)構(gòu)的α-錫，和石墨不同，α-錫不是層狀結(jié)構(gòu)，無法用機(jī)械剝離的方法獲得單層的錫烯，因此錫烯在制備方面面臨著諸多困難。室溫下，體材料的α-錫不能穩(wěn)定存在。穩(wěn)定的α-錫厚薄膜能夠在晶格失配度非常小的半導(dǎo)體InSb基底上高質(zhì)量的生長。

錫烯的研究現(xiàn)狀

近來二維錫烯被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)的潛在材料，由于時(shí)間反演對稱性，自旋過濾螺旋邊緣態(tài)伴有無耗散自旋和電流沿著邊緣傳播，這樣就使得錫烯在自旋電子學(xué)和容錯(cuò)量子計(jì)算有著重要的應(yīng)用。

錫烯還被看做是一種具有突出熱電性質(zhì)的二維材料，主要原因是它在邊緣態(tài)的傳導(dǎo)無耗散。除了電傳輸，熱傳輸也是能量和信息傳輸?shù)囊环N重要形式。許多納米材料，例如石墨烯，碳納米管，在室溫條件下，較于電子導(dǎo)熱性都具有較高的聲子導(dǎo)熱性。另外一些其它的材料，例如金屬，在熱輸運(yùn)當(dāng)中電子的貢獻(xiàn)占主要的地位。

2015年，Zhu等人利用分子束外延生長技術(shù)在半導(dǎo)體三碲化二鉍(Bi2Te3)基底上構(gòu)筑了錫烯二維晶體薄膜。如圖1所示，結(jié)合STM和DFT，他們證實(shí)了外延錫烯薄膜的低度翹曲雙原子層結(jié)構(gòu)。角分辨光電子能譜表征發(fā)現(xiàn)了錫烯薄膜的能帶結(jié)構(gòu)有空穴口袋(Hole Pockets)的特點(diǎn)，結(jié)合Bi2Te3基底的Rashba效應(yīng)，使錫烯二維晶體薄膜有機(jī)會(huì)成為拓?fù)涑瑢?dǎo)體。單層錫烯薄膜的制備，對在實(shí)驗(yàn)上研究二維拓?fù)潆娮訉W(xué)材料起到重要的推動(dòng)作用。

圖1：Bi2Te3基底上的錫烯

2015年的這一突破性的實(shí)驗(yàn)，也是第一次理論上預(yù)測的材料被證明存在。能夠成功獲得錫烯的難點(diǎn)主要是這些二維材料和底襯間的相互作用。錫烯不同于硅烯和鍺烯，它們由半導(dǎo)體元素組成，并且可以在金屬底襯上合成,但是在普通金屬表面的金屬錫更易于形成表面合金。

另外采用分子束外延法在Sb（111），Bi（111）表面也可以成功地生成單層的錫烯，結(jié)合掃描隧道顯微術(shù)，掃描隧道譜和第一性原理的計(jì)算，在Sb（111）上的單層錫烯表面有一個(gè)扁平的蜂窩狀晶格，并且在錫烯納米帶中可以發(fā)現(xiàn)由于應(yīng)變引起的電子帶工程效應(yīng)。另外還可以通過外延生長法或者相變激光消融技術(shù)來獲取少層的錫烯。

參考資料：

谷成明.硅烯和錫烯納米帶中自旋傳輸性質(zhì)的研究

盧建臣.幾種新型二維原子晶體材料的構(gòu)筑及其結(jié)構(gòu)特性