未來資訊技術需要低功耗, 高性能的晶體管, 國際半導體技術路線圖描繪的未來晶體管通道長度小於10納米. 近年來的研究熱點之一二維 (2D) 原子晶體材料與傳統半導體材料相比, 具有散射小, 遷移率高, 便於製備疊層異質結構, 電學性質易於調控等特性, 成為製作未來晶體管的優秀候選材料之一. 在已發現的二維原子晶體材料中, 由元素周期表中IV族元素構成的單層材料 (例如石墨烯, 矽烯, 鍺烯和錫烯等) 具有高載流子遷移率, 但由於其帶隙為零或趨近於零, 限制了它們在場效應晶體管等電子學器件中的應用前景.
相比之下, 由元素周期表中V族元素構成的層狀材料, 例如黑磷, 具有較大的帶隙以及高的載流子遷移率等特性. 然而, 黑磷在大氣條件下不穩定, 由它製備的器件的適用性受到限制. 最近, V族元素銻構成的單層銻烯 (antimonene) 引起了研究者的極大興趣. 已有理論預測銻烯的帶隙隨層厚的改變而變化, 特別對於單層銻烯, 理論預言其帶隙為2.28eV. 同時, 與石墨烯相比, 銻烯具有更高的載流子遷移率. 基於這些特性, 銻烯在相關電子器件和光電子器件領域有著潛在的應用前景. 因此, 如何獲得這種材料, 特別是高質量的單層銻烯生長備受關注.
中國科學院院士, 中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心研究員高鴻鈞領導的研究團隊, 多年來致力於新型二維晶體材料的製備, 物性與應用基礎研究, 取得了一系列研究成果. 近日, 該研究組博士生武旭, 邵岩和研究員王業亮等, 製備了單層銻烯, 並對其結構和特性進行了研究. 在光電子能譜分析方面, 該研究團隊與北京同步輻射中心的副研究員王嘉鷗等合作; 在理論計算方面, 他們與物理所副研究員孫家濤等合作; 所使用的二碲化鈀 (PdTe2) 單晶襯底由物理所研究員石友國等提供.
在具體的實驗方案設計過程中, 科研人員考慮到層狀的過渡金屬二硫屬族化合物 (簡稱TMD) PdTe2表面化學性質穩定, 同時具有六方對稱性, 晶格周期 (4.10 Å) 與銻單晶層內的周期 (4.12 Å) 晶格匹配, 與理論預言的單層銻烯 (周期4.01 Å) 的晶格失配度也只有2.3 %. 因此, 他們選用PdTe2作為襯底, 利用分子束外延生長方法, 獲得了高質量單層銻烯. 藉助低能電子衍射 (LEED) 和掃描隧道顯微技術 (STM) 等手段, 對所生長的單層銻烯的精細原子排布結構進行研究, 從STM圖可以清晰地分辨出銻原子形成了六角蜂窩狀結構, 為銻烯; LEED實驗證明, 他們獲得了大面積, 高質量的銻烯單晶 (圖1) . 結合X射線光電子能譜實驗和電子局域函數理論計算結果, 揭示了單層銻烯和基底之間局域電子態很少, 只有弱的範德瓦爾斯相互作用 (圖2, 圖3) . 進一步的STM和XPS實驗觀測結果表明 (圖4) , 單層銻烯在空氣中具有高的化學穩定性, 暴露空氣後沒有被氧化, 這一特性對於銻烯進一步走向實際應用至關重要.
該工作提供了一種製備高品質單層銻烯的方法, 也提供了一種製備具有原子級平整界面的二維材料異質結構的新思路, 即直接利用TMD材料作為襯底外延生長單層二維原子晶體材料, 為二維材料異質結器件的研究提供了有價值的參考. 同時, 銻烯作為類石墨烯結構的新型二維原子晶體材料, 拓展了非碳基二維蜂窩狀晶體材料的研究領域, 而且它具有寬頻隙, 高遷移率的特點, 在大氣環境下穩定, 在未來電子器件方面具有潛在的應用前景.
相關結果發表在Advanced Materials上. 該項研究獲得了國家自然科學基金委, 科技部和中科院的支援.
圖1.外延生長的單原子層銻烯. PdTe2表面生長單層銻烯示意圖 (a) , 大範圍STM映像和LEED衍射斑點 (b) , 原子分辨STM圖 (c) 及對應的側向切面圖 (e, f) , 和原子結構頂視圖和側視圖 (d) .
圖2.PdTe2表面單層銻烯的原子結構模型 (a, d) , 相應STM類比映像 (b) , 實驗映像 (c) , 電子局域函數頂視圖和切面圖 (e, f) .
圖3.PdTe2襯底表面生長單層銻烯前後Pd和Te元素的XPS測量結果 (a, b) , 單層銻烯中Sb元素的XPS測量結果 (c) , 表明襯底與單層銻烯之間幾乎沒有電荷轉移.
圖4.單層銻烯化學穩定性測試. STM (a, b, c) 與XPS (d) 綜合實驗表明, 單層銻烯在暴露空氣後沒有變化, 表現出優良的化學穩定性.
